Quasi 20 anni fa, l'esperimento DAMA/LIBRA presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia - LNGS ha iniziato a pubblicare dati che mostrano di aver rilevato una modulazione del segnale prodotta da un'interazione con l'alone di materia oscura della Via Lattea.

Si ritiene che la materia oscura costituisca circa il 27 percento dell'universo conosciuto, con la materia ordinaria che rappresenta solo il 4%. Si pensa che il restante 69 percento sia costituito da energia oscura. Poiché la materia oscura interagisce debolmente con la materia normale, la sua presenza è stata finora dedotta solo da effetti gravitazionali su corpi visibili come stelle, galassie e ammassi di galassie.

Secondo il modello più diffuso, il moto combinato della Terra, il sole e la galassia stessa risultano in un vento di materia oscura per un osservatore sulla Terra, più specificamente, un vento di particelle massicce che interagiscono debolmente o WIMP, ipotetiche particelle che si ritiene costituiscano la materia oscura.

Durante l'orbita annuale della Terra intorno al Sole, i segnali dell'interazione del rivelatore con le WIMP aumentano quando il pianeta si muove nella direzione opposta al vento e diminuiscono quando entrambi si muovono nella stessa direzione. La fluttuazione ha una forma coseno.

Il personale di DAMA/LIBRA afferma di aver rilevato segnali a velocità che variano secondo un'onda del coseno durante l'anno e che corrispondono a una segnatura di materia oscura. Il problema è che tale firma non è stata confermata da nessun altro esperimento da quando è stato annunciato per la prima volta. Va sottolineato che altri esperimenti utilizzano materiali e tecniche analitiche differenti.

Per verificare la discrepanza tra i dati di DAMA/LIBRA e i dati di altri esperimenti e per cercare prove solide della materia oscura, COSINE-100 è stato costruito a 700 metri sottoterra presso lo Yangyang Underground Laboratory—Y2L in Corea del Sud.

Un articolo che presenta i risultati dei primi 59,5 giorni di dati di COSINE-100 è stato pubblicato nel dicembre 2018 sulla rivista Natura .

Nelson Carlin Filho, Professore presso l'Istituto di Fisica dell'Università di San Paolo (IF-USP) e due supervisori costituiscono la partecipazione brasiliana alla collaborazione internazionale COSINE-100. "I risultati dei primi 59,5 giorni di COSINE-100 non hanno confermato i dati di DAMA/LIBRA. I risultati ottenuti non corrispondono a una firma di WIMP, " ha detto. Carlin ha sottolineato che questo risultato negativo è particolarmente importante perché sia ​​DAMA/LIBRA che COSINE-100 utilizzano rivelatori fatti di cristalli di ioduro di sodio (Nal). "È la prima scoperta pubblicata per un rivelatore che comprende questo materiale con dimensioni e sensibilità sufficienti per indagare la regione del segnale DAMA/LIBRA, " Egli ha detto.

"Non stiamo dicendo che i ricercatori di DAMA/LIBRA si sbagliassero. Potrebbero aver catturato una modulazione periodica in segnali reali. Tuttavia, a meno che il modello della materia oscura non venga modificato in modo significativo, è altamente improbabile che i segnali siano attribuiti alle interazioni con le WIMP. In ogni caso, il nostro lavoro è solo all'inizio. Saranno necessari diversi anni di dati prima che la modulazione annuale rivendicata da DAMA/LIBRA possa essere totalmente confermata o confutata".

Il rivelatore COSINE-100 è costituito da otto cristalli di ioduro di sodio drogati con tallio con una massa totale di 106 kg. Ogni cristallo è accoppiato a due tubi fotomoltiplicatori per misurare la quantità di energia depositata nel cristallo. L'intero array è immerso in 2, 200 litri di scintillatore liquido e circondato da rame, piombo e pannelli scintillatori plastici.

Il punto di tutta questa schermatura, così come la decisione di installare il rivelatore a 700 metri di profondità, è quello di ridurre i disturbi causati dai raggi cosmici (muoni), radiazione cosmica di fondo (fotoni rimasti dall'universo primordiale, rilevata nella banda delle microonde), e particelle emesse dai materiali di cui è composto il rivelatore.

"La probabilità di osservare le interazioni tra le particelle di materia oscura e il materiale del rivelatore è minuscola. A parte la schermatura, è importante analizzare la forma dei segnali per escludere contributi di fondo, " ha detto Carlino.

Sulla base di un trattamento statistico altamente sofisticato che utilizza il modello standard per l'alone di materia oscura, con simulazioni Monte Carlo e altre risorse, COSINE-100 ha definito una curva considerata il "limite di esclusione" per le interazioni tra WIMP e nuclei nel materiale del rivelatore.

Questo limite ha confermato e perfezionato i limiti stabiliti da precedenti esperimenti. La curva è stata tracciata utilizzando un sistema di coordinate cartesiane bidimensionale. Le sezioni trasversali di diffusione del nucleone WIMP sono mostrate sull'asse Y, rappresentando in modo semplicistico la probabilità di interazioni, mentre la massa WIMP è mostrata sull'asse X.

Qualsiasi evento le cui coordinate possono essere tracciate al di sotto del limite di esclusione è un'interazione WIMP-nucleone candidata. Qualsiasi evento situato al di sopra di esso non soddisfa le condizioni necessarie per un'interazione conforme al modello.

"I segnali DAMA/LIBRA sono al di sopra del limite di esclusione. Si noti che oltre a utilizzare rilevatori realizzati con lo stesso materiale di DAMA/LIBRA [cristalli di ioduro di sodio], COSINE-100 ha utilizzato anche tecniche di selezione degli eventi simili. Ciò ha ridotto al minimo le discrepanze nei risultati dovute alle differenze negli esperimenti. Non abbiamo trovato la materia oscura e abbiamo scoperto che le misurazioni DAMA/LIBRA non sono coerenti con il modello standard per l'alone di materia oscura, " ha detto Carlino.

Teorie sulla materia oscura

C'è ora un ampio consenso nella comunità scientifica sull'esistenza della materia oscura. La prima prova fu trovata nel 1933 negli studi sulle velocità di rotazione galattica dell'astronomo svizzero Fritz Zwicky (1898-1974).

Zwicky si rese conto che le velocità di rotazione galattica erano più veloci di quanto avrebbero dovuto essere in base alla massa luminosa osservata e propose che il contributo gravitazionale di un altro tipo di materia, che chiamò "dunkle materie" ("materia oscura" in tedesco), deve influenzare queste velocità.

Negli anni '70, L'astronoma americana Vera Rubin (1928-2016) ha confermato l'ipotesi di Zwicky in uno studio sistematico delle velocità di rotazione galattica. I rigorosi calcoli di Rubin, confermato da successive ricerche, ha mostrato che le galassie in questione devono contenere almeno 5-10 volte più materia oscura della materia normale.

Oggi, sulla base delle velocità di rotazione galattica e di altre prove come la lente gravitazionale, proposta per la prima volta da Einstein, e la radiazione a microonde di fondo, le proporzioni accettate per la composizione dell'universo sono circa il 4% di materia normale, 27 percento di materia oscura e 69 percento di energia oscura.

Se l'esistenza della materia oscura è ampiamente accettata; il punto ora è determinare di cosa è fatto. Il modello basato su WIMP è ancora il modello più ampiamente accettato. Si ritiene che tali particelle interagiscano con la materia normale solo attraverso la gravità e la debole forza nucleare. Questo è presumibilmente il motivo per cui non sono stati rilevati in modo coerente. L'incapacità di rilevare le WIMP ha portato gli scienziati a proporre alternative come assioni e fotoni oscuri.

"Non c'è niente che impedisca che la materia oscura sia composta da diversi elementi diversi, " Carlin ha detto. "Molto lavoro resta da fare. Nel nostro caso, COSINE-100 sta ancora muovendo i primi passi. Il prossimo passo, che è molto importante, è cercare di riprodurre la modulazione annuale o dimostrare che non può essere riprodotta. Questo è effettivamente in corso in questo momento. Stiamo anche preparando la fase due dell'esperimento, COSINO-200, con 200 kg di cristalli, da installare in un altro sito in Corea del Sud."