Аналіз даних експерименту COSINE-100 не підтвердив виявлення частинок темної матерії, про яке раніше повідомляла колаборація DAMA/LIBRA, що працювала з аналогічним детектором. Обидва експерименти намагалися зареєструвати сезонні коливання темпів реєстрації частинок у детекторі, викликані зміною швидкості руху Землі відносно гало темної матерії при її обертанні навколо Сонця. Таким чином, причина сезонних коливань числа подій в детекторі DAMA/LIBRA залишається невідомою. Препринт статті викладено на сайт arXiv.org.
На існування темної матерії вказують численні астрономічні спостереження, але з чого вона складається - досі точно невідомо. Основним кандидатом на роль частинок темної матерії вважаються вімпи (WIMP, weakly interacting massive particle) - слабозабезпечуючі частинки з масою, що істотно перевищує масу протона. Вченим довгий час не вдавалося зареєструвати ці частинки в лабораторних експериментах. Однак у 1998 році італійська колаборація DAMA опублікувала перші результати аналізу даних, в яких було знайдено сигнал вімпів. З тих пір колаборація, яка зараз називається DAMA/LIBRA, випустила безліч статей, в яких повідомляла про підтвердження своїх висновків з все більшою і більшою статистичною значимістю. Проблема цих результатів у тому, що всі інші експерименти з пошуку темної матерії не підтверджують висновків DAMA/LIBRA і ніяких частинок темної матерії вони не бачать (раніше ми вже писали, наприклад, про експерименти XENON і ANAIS).
Можлива, хоча і вкрай малоймовірна, причина розбіжності результатів спостережень - в деталях пристрою детекторів. Загальний принцип роботи детекторів темної матерії наступний. Частинки гіпотетичної темної матерії взаємодіють з речовиною робочого тіла, а продукти взаємодії викликають спалахи у фотодетекторах. Робоче тіло занурене в сцинтилятор, який використовується для реєстрації фонових подій, які потім повинні бути відняті з сигналу. Робоче тіло, сцинтилятор і фотодетектори ізолюється від зовнішнього середовища за допомогою багатошарових екранів, щоб мінімізувати число помилкових спрацьовувань детектора. Крім того, детектор поміщається на велику глибину під землю, де космічний фон менше. Різні детектори темної матерії відрізняються розмірами, робочим тілом і деталями реєстрації подій.
Щоб з'ясувати причину розбіжності результатів DAMA/LIBRA з іншими експериментами, в Південній Кореї побудували детектор COSINE-100, який схожий на DAMA/LIBRA. Обидва мають одне і те ж робоче тіло - іодид натрію, але трохи різноманітної маси - 106 кілограмів у COSINE-100 проти 250 кілограмів у DAMA/LIBRA. Глибина, на якій розташовані детектори, теж різниться не суттєво: 700 метрів біля COSINE-100 і 1400 у DAMA/LIBRA. Експерименти використовують один і той же принцип реєстрації частинок темної матерії - вимірювання сезонних коливань сигналу. Очікувані коливання виникають через те, що Сонячна система рухається відносно гіпотетичного гало темної матерії, а тому в залежності від пори року, швидкість орбітального руху Землі то складається, то віднімається зі швидкості руху Сонця. Від відносної швидкості частинок сцинтилятора і темної матерії залежить переріз їх взаємодії, що впливає на число подій взаємодії.
Аналіз перших двох місяців роботи детектора COSINE-100 не підтвердив результати DAMA/LIBRA, якщо взаємодія темної матерії з речовиною не залежала від спина і використовувалася стандартна модель гало. Залишалися альтернативні варіанти, засновані на більш складних моделях темної матерії і розподілу її щільності в галактиці. Однак аналіз даних, які набиралися вже протягом півтора років роботи детектора, також не виявив частинок темної матерії. Тепер же вчені представили результати аналізу тих же даних, але з поліпшеним алгоритмом відбору подій, який збільшив чутливість детектора приблизно на порядок. Головною причиною невисокої точності попереднього аналізу виявився дуже високий рівень шуму, який давали три з восьми кристалів іодиду натрію, що становлять робоче тіло детектора. При проведенні останнього аналізу події, що відбулися в них, були виключені.
Експеримент COSINE-100 не виявив жодних частинок темної матерії для майже будь-якої області залежно їх маси від перерізу взаємодії з протонами. Не виключеною залишається лише невелика область мас і перерізів, але вона не перетинається з результатом DAMA/LIBRA. Протиріччя становить понад три стандартні відхилення для всіх моделей взаємодії темної матерії з речовиною. Однак, за словами дослідників, для остаточного спростування результатів колаборації DAMA/LIBRA необхідно ще кілька років набору даних детектором COSINE-100.
Раніше ми писали про те, як вчені запропонували використовувати в якості детекторів темної матерії екзопланети, Юпітер і нейтронні зірки.