I limiti di esclusione del 90% osservati (cerchi pieni con linea continua nera) sull'interazione WIMP-nucleone sono mostrati con bande per il limite previsto assumendo l'ipotesi del solo sfondo. I limiti escludono un'interpretazione WIMP di DAMA/LIBRA-fase 1 di 3 regione consentita (dot-contours). I limiti del NAIAD, l'unico altro esperimento a base di ioduro di sodio a stabilire un limite competitivo, sono mostrati in magenta. Credito:IBS
Le prove astrofisiche suggeriscono che l'universo contiene una grande quantità di materia oscura non luminosa, ma non è stato osservato alcun segnale definito nonostante gli sforzi concertati di molti gruppi sperimentali. Un'eccezione è l'affermazione a lungo dibattuta da parte del gruppo DAMA di una modulazione annuale degli eventi osservati nel loro rivelatore utilizzando materiale bersaglio di ioduro di sodio, come ci si potrebbe aspettare dalle interazioni di materia oscura con particelle massive (WIMP) che interagiscono debolmente. Il nuovo esperimento COSINE-100, un rivelatore sotterraneo di materia oscura presso lo Yangyang Underground Laboratory (Y2L) in Corea sta iniziando a esplorare questa affermazione utilizzando lo stesso mezzo e ora ha i primi risultati che sfidano in modo significativo le interpretazioni fatte da DAMA che resistono da quasi due decenni. Y2L è gestito dal Center for Underground Physics (CUP) dell'Institute for Basic Science (IBS) in Corea.
Il puzzle del segnale di DAMA, e le sue incongruenze con i risultati di altri esperimenti, hanno portato a centinaia di pubblicazioni. Di conseguenza, sono stati proposti molti nuovi modelli per spiegare la materia oscura e la controversia rimane di grande interesse scientifico e pubblico.
Un punto critico è che COSINE-100 sta indagando sul presunto rilevamento della materia oscura di DAMA utilizzando lo stesso materiale target di DAMA ed è il primo a rilasciare risultati significativi con questo mezzo. In un articolo pubblicato nel numero 7734 della rivista Natura , la collaborazione descrive i risultati della prima fase di lavoro, una ricerca del segnale della materia oscura cercando un eccesso di eventi rispetto allo sfondo previsto. Questo studio indica che non sono presenti tali eventi nei dati, confermando che il segnale di modulazione annuale di DAMA è in forte tensione con i risultati di altri esperimenti sotto l'assunzione del più tradizionale cosiddetto Modello Halo Standard per la materia oscura nella nostra galassia, come mostrato in Fig. 1.
"Il risultato di questa ricerca è significativo perché, per la prima volta, abbiamo rilevatori di cristalli di ioduro di sodio considerevoli con una sensibilità sufficiente per guardare la regione del segnale DAMA. Sono 20 anni che l'affermazione potenzialmente significativa non viene riprodotta utilizzando gli stessi cristalli in modo indipendente, " ha affermato il co-portavoce di COSINE-100 e il direttore associato di CUP, Hyun Su Lee. "I risultati iniziali ritagliano anche una buona parte della possibile regione di ricerca della materia oscura disegnata dal segnale DAMA. In altre parole, c'è poco spazio per questa affermazione che deriva dall'interazione della materia oscura, a meno che il modello della materia oscura non venga modificato in modo significativo".
Il rivelatore è contenuto all'interno di una disposizione nidificata di componenti di schermatura mostrati nello schema a). Lo scopo principale dello schermo è fornire una copertura completa contro le radiazioni esterne provenienti da varie fonti di fondo. I componenti di schermatura includono pannelli scintillatori plastici (blu), un recinto di mattoni di piombo (grigio) e una scatola di rame (marrone rossastro). Gli otto gruppi di cristalli di ioduro di sodio incapsulati (schema c)) si trovano all'interno della scatola di rame e sono immersi in un liquido scintillante, come mostrato nello schema b). Credito:IBS
La collaborazione COSINE-100 è composta da 50 scienziati coreani, gli Stati Uniti (con la co-portavoce Professor Reina Maruyama della Yale University), il Regno Unito, Brasile, e Indonesia. COSINE-100 ha iniziato a raccogliere dati nel 2016. L'esperimento utilizza otto cristalli di ioduro di sodio drogati con tallio a basso fondo disposti in una matrice 4 per 2, dando una massa target totale di 106 kg. Ogni cristallo è accoppiato a due fotosensori per misurare la quantità di energia depositata nel cristallo. I gruppi di cristalli di ioduro di sodio sono immersi in 2, 200 L di liquido luminescente, che consente l'identificazione e la successiva riduzione dei fondi radioattivi osservati dai cristalli. Lo scintillatore liquido è circondato da rame, guida, e scintillatore plastico per ridurre il contributo di fondo delle radiazioni esterne, così come i muoni dei raggi cosmici. Lo schema del rivelatore è mostrato in Fig. 2.
"Finora, non abbiamo ancora scoperto le particelle di materia oscura in questa ricerca, ma ci siamo avvicinati a testare l'origine del segnale DAMA se si tratta di interazioni di materia oscura o di qualche effetto sistematico sconosciuto, " disse Chang Hyon Ha, assegnista di ricerca presso CUP.
Nonostante le forti prove della sua esistenza, l'identità della materia oscura rimane un mistero. Saranno necessari diversi anni di dati per confermare o confutare pienamente i risultati della modulazione annuale di DAMA. Una migliore comprensione teorica e più dati dal rivelatore COSINE aggiornato (COSINE-200) aiuteranno a comprendere il mistero del segnale. Per aiutare a raggiungere questo obiettivo, CUP sta attualmente costruendo un nuovo sito sperimentale in un luogo più profondo e spazioso, chiamato Yemi Laboratory nella contea di Jeongseon. COSINE-100 sta attualmente raccogliendo dati con un miglioramento continuo nella comprensione del rivelatore. Yeongduk Kim, Hyun Su Lee, Reina Maruyama, e Neil Spooner concepì l'esperimento COSINE-100.
