Dalam dunia penelitian materi gelap, seperti di toko Cina, ada seekor gajah: klaim yang sulit dipercaya, tidak mungkin dikonfirmasi, dan secara mengejutkan sulit dijelaskan. Tapi sekarang kami memiliki empat instrumen dengan jenis pendeteksi yang sama dengan kolaborasi yang memiliki klaim kontroversial ini. Selama tiga tahun ke depan, eksperimen ini akan mengkonfirmasi keberadaan materi gelap atau membantah klaim untuk selamanya, kata fisikawan yang mengerjakannya.
"Semuanya akan berhasil," kata Frank Kalaprice dari Universitas Princeton di New Jersey, yang memimpin salah satu eksperimen.
Pengumuman awal dibuat oleh kolaborasi DAMA, yang detektornya terletak di laboratorium jauh di bawah pegunungan Gran Sasso di timur Roma. Lebih dari satu dekade lalu, dia memberikan bukti luar biasa untuk materi gelap, zat tak terlihat yang diyakini mengikat galaksi bersama-sama oleh tarikan gravitasinya. Detektor baru pertama akan mulai beroperasi di Korea Selatan hanya dalam beberapa minggu. Sisanya akan diluncurkan dalam beberapa tahun mendatang di Spanyol, Australia dan Gran Sasso. Semuanya akan menggunakan kristal natrium iodida untuk mencari materi gelap, yang belum pernah dilakukan eksperimen skala besar, kecuali DAMA.
Para ilmuwan sangat yakin akan keberadaan materi gelap dan ukurannya setidaknya lima kali lebih besar dari materi normal. Namun sifatnya tetap misterius. Hipotesis utama adalah bahwa setidaknya sebagian massanya terdiri dari partikel yang berinteraksi lemah (WIMPs) yang kadang-kadang harus bertabrakan dengan inti atom di Bumi.
Kristal natrium iodida harus memancarkan kilatan cahaya jika ini terjadi di detektor. Sementara radioaktivitas alami juga menghasilkan flare seperti itu, DAMA mengumumkan penemuan WIMPs pada tahun 1998, mengutip fakta bahwa jumlah flare yang dihasilkan per hari berfluktuasi sesuai musim.
Inilah yang diharapkan jika sinyal yang dihasilkan oleh WIMPs yang tumpah ke Bumi saat tata surya bergerak melalui materi gelap halo Bima Sakti. Dalam hal ini, jumlah partikel yang melintasi Bumi seharusnya mencapai puncaknya saat gerakan orbit planet sejajar dengan pergerakan Matahari, pada awal Juni, dan berkurang saat gerakan berlawanan dengan Matahari, pada awal Desember.
Tapi ada satu masalah besar. “Jika itu benar-benar materi gelap, banyak eksperimen lain akan melihatnya sekarang,” kata Thomas Schwetz-Mangold, fisikawan teoritis di Institut Teknologi Karlsruhe di Jerman - dan belum ada yang melihatnya. Tetapi pada saat yang sama, semua upaya untuk menemukan kelemahan dalam eksperimen DAMA, termasuk efek lingkungan, yang tidak diperhitungkan oleh para ilmuwan, tidak berhasil. "Ada sinyal modulasi," kata Kaijuan Ni dari Universitas California, San Diego, yang mengerjakan eksperimen materi gelap XENON1T. "Tapi bagaimana menafsirkan sinyal ini - yang mendukung materi gelap atau yang lainnya - tidak jelas."
Tidak ada eksperimen skala penuh lain yang menggunakan natrium iodida dalam detektornya, meskipun KIMS di Korea Selatan menggunakan cesium iodida. Dengan demikian, kemungkinan tetap bahwa materi gelap berinteraksi dengan natrium dengan cara yang berbeda dibandingkan dengan unsur lain. "Sampai seseorang menembakkan detektor pada elemen yang sama yang meninggalkan petunjuk, Anda tidak dapat memastikan apa pun," kata Juan Collar dari Universitas Chicago di Illinois, yang telah mengerjakan beberapa eksperimen materi gelap.
Video promosi:
Banyak yang menghadapi kesulitan untuk menumbuhkan kristal natrium iodida dengan kemurnian yang diperlukan. Kontaminasi kalium, yang memiliki isotop radioaktif alami, juga menonjol.
Tetapi tiga tim ilmuwan - KIMS, DM-Ice dari Universitas Yale di New Haven dan ANAIS dari Universitas Zaragoza di Spanyol - berhasil mendapatkan kristal dengan tingkat radioaktivitas setengah dari DAMA. Itu cukup bersih untuk menguji hasilnya, kata para ilmuwan.
Ilmuwan dari KIMS dan DM-Ice telah membangun detektor natrium iodida bersama dengan laboratorium bawah tanah Yangyang, 160 kilometer sebelah timur Seoul. Alat ini menggunakan sensor "veto aktif" yang akan membedakan materi gelap dari kebisingan latar belakang dengan lebih baik daripada DAMA, kata Yengduk Kim, direktur Pusat Fisika Bawah Tanah Korea Selatan di Daejeon, yang menjalankan KIMS.
ANAIS sedang membangun detektor serupa di laboratorium bawah tanah Canfranc di Pyrenees Spanyol. Bersama-sama, KIMS, DM-Ice dan ANAIS akan membawa lebih dari 200 kilogram natrium iodida dan bertukar data. Dibandingkan dengan 250 kilogram yang dimiliki DAMA, para ilmuwan berharap dapat menangkap jumlah WIMP yang sama. Dan sementara detektor baru akan memiliki tingkat kebisingan latar belakang yang lebih tinggi, mereka akan dapat memalsukan atau mereproduksi sinyal DAMA terkuat, kata Reina Maruyama dari Universitas Yale, yang menjalankan DM-Ice.
Tapi Kalapris berpendapat bahwa kemurnian tinggi lebih penting daripada massa. Bersama rekan-rekannya, dia mengembangkan cara untuk mengurangi polusi, dan pada Januari mengumumkan penerimaan kristal yang lebih bersih dari kristal DAMA. Dia berharap untuk mengurangi tingkat latar belakang lebih jauh, hingga sepersepuluh dari DAMA.
Proyek SABER (Active Background Rejection Sodium Iodide) miliknya akan menampung satu detektor di Gran Sasso dan satu lagi di Laboratorium Fisika Bawah Tanah Stowell, yang sedang dibangun di tambang emas di Victoria, Australia. SABRE akan menggunakan detektor yang memisahkan sinyal materi gelap dari kebisingan, dan akan memiliki berat sekitar 50 kilogram.
SABRE akan menyelesaikan penelitian dan pengembangannya dalam waktu sekitar satu tahun dan mulai membangun detektornya segera setelah itu, kata Kalapris. Kemudian teknologi tersebut akan tersedia untuk laboratorium lain - sesuatu yang tidak dilakukan DAMA. Dan jika Anda memiliki dua detektor identik di belahan utara dan selatan, Anda dapat memahami apakah efek lingkungan dapat memalsukan musiman materi gelap dalam hasil DAMA - jika sinyal berasal dari WIMP, kedua detektor akan melihat puncak pada saat yang bersamaan.
DAMA sangat yakin dengan hasilnya, kata Rita Bernabei dari Universitas Roma. Dia tidak terlalu bersemangat dengan peluncuran detektor natrium iodida yang akan datang. "Hasil kami telah divalidasi berkali-kali selama 14 tahun, jadi kami tidak punya alasan untuk melihat apa yang akan dilakukan orang lain," katanya. Jika eksperimen lain tidak melihat modulasi tahunan, kolaborasi hanya akan memutuskan bahwa mereka tidak cukup sensitif.
Tetapi bagaimana jika para ilmuwan DAMA benar? “Awalnya, saya tidak ingin mempercayai hasil DAMA, saya bahkan tidak menganggapnya serius,” kata Catherine Freese, ahli teori astro-partikel di University of Michigan di Ann Arbor yang mengusulkan metode modulasi musiman DAMA. Tetapi karena tidak ada penjelasan lain untuk sinyal mereka yang ditemukan, dia diyakinkan. "Semakin seseorang mempelajari eksperimennya, semakin dia menyadari seberapa baik eksperimen itu dilakukan."
Ilya Khel
