Achieving a 0.49 keV threshold in the COSINE-100 dark matter experiment

Diep in het universum wordt gedacht dat een enorme, onzichtbare substantie genaamd donkere materie sterrenstelsels bij elkaar houdt. Het vormt ongeveer een kwart van alles wat bestaat, maar het zendt geen licht, warmte of enig signaal uit dat we gemakkelijk kunnen opvangen. Wetenschappers proberen het al decennia te vinden en stellen voor dat het gemaakt zou kunnen zijn van zware, langzaam bewegende deeltjes die af en toe botsen met gewone atomen. Wanneer een dergelijke botsing plaatsvindt, zou het een klein flitsje licht moeten achterlaten, een fluistering van energie die gevoelige detectoren kunnen horen. De uitdaging is dat deze fluisteringen ongelooflijk zwak zijn en gemakkelijk worden overstemd door de constante statische ruis van de natuurlijke wereld, van radioactieve rotsen tot kosmische straling. Om ze te horen, moeten onderzoekers detectoren diep onder de grond bouwen, afgeschermd door kilometers gesteente, en luisteren met instrumenten die zo precies zijn dat ze een enkele vonk licht kunnen onderscheiden van de ruis.

In een stille vallei in Zuid-Korea heeft een team wetenschappers jarenlang naar deze fluisteringen geluisterd met behulp van een grote reeks kristallen gemaakt van natriumjodide, een materiaal dat oplicht wanneer het wordt geraakt door een deeltje. Dit experiment, bekend als COSINE-100, draait al zes jaar en heeft een enorme hoeveelheid gegevens verzameld. Lange tijd kon het team alleen vertrouwen op signalen die sterk genoeg waren om duidelijk boven de achtergrondruis uit te komen, wat betekende dat ze de zwakste, meest ongrijpbare fluisteringen misten. Een nieuwe analyse van hun volledige zesjarige dataset heeft echter de regels veranderd. Door een geavanceerd computerprogramma te gebruiken om het verschil te leren tussen een echte deeltjesinslag en een willekeurige fout, hebben de onderzoekers hun luisterdrempel verlaagd naar een niveau van 0,49 keV. Dit is een eenheid van energie die zo klein is dat het de zwakste signalen vertegenwoordigt die de detector betrouwbaar kan identificeren, waardoor het team de stilste mogelijke interacties kan horen.

De sleutel tot deze prestatie was het aanleren aan een computer hoe de unieke vorm van een lichtflits veroorzaakt door een deeltje eruitziet. In het verleden vertrouwde het team op eenvoudigere methoden die moeite hadden wanneer de signalen zwak waren, waarbij ze ze vaak aanzagen voor elektronische ruis of ze volledig misten. Voor deze nieuwe studie maakten de onderzoekers miljoenen computersimulaties aan van hoe een echte deeltjesinslag eruit zou moeten zien. Vervolgens trainden ze een neuraal netwerk, een type kunstmatige intelligentie, om de werkelijke gegevens van de kristallen te vergelijken met deze simulaties. De computer leerde subtiele patronen te herkennen in de manier waarop de lichtpulsen toenamen en afnamen, waarbij het de langzame, vloeiende afname van een echt evenement onderscheidde van de scherpe, grillige pieken van ruis. Deze training werd apart uitgevoerd voor verschillende groepen gebeurtenissen, afhankelijk van hoeveel verschillende pieken van licht in het signaal verschenen, om ervoor te zorgen dat de computer zo nauwkeurig mogelijk was over het gehele bereik van energieën.

Het resultaat is een filter dat zowel scherp als gevoelig is. Het behoudt meer dan tien procent van de echte deeltjessignalen bij de nieuwe, ultra-lage drempelwaarde, terwijl het negentig procent van de ruis verwerpt. Om te bewijzen dat deze methode werkt, controleerde het team de resultaten tegen bekende lichtbronnen binnen de detector, zoals radioactieve atomen die van nature in de kristallen aanwezig zijn. Ze bevestigden dat de computer de echte gebeurtenissen correct identificeerde en dat de prestaties gedurende de gehele zes jaar aan gegevensverzameling stabiel bleven. Deze stabiliteit is cruciaal, aangezien dit betekent dat het team de gegevens die ze zien kan vertrouwen, wetende dat de detector niet is afgedreven of van gedrag is veranderd in de loop van de tijd.

Met deze nieuwe mogelijkheid om zwakkere signalen te horen, hebben de onderzoekers hun kansen aanzienlijk verbeterd om donkere materie te vinden, in het bijzonder de lichtere versies van de hypothetische deeltjes. Lichtere deeltjes bewegen langzamer en creëren kleinere flitsen van energie, waardoor ze voorheen verborgen bleven onder de detectiegrens. Nu kan het team ze zoeken in een massabereik tussen 2,0 en 2,8 GeV/c², een regio van het universum die door andere experimenten grotendeels onverkend is gebleven. Hun analyse sugggeert dat als deze lichte donkere materie-deeltjes bestaan en op een specifieke manier met protonen interageren, de COSINE-100-detector hen zou moeten kunnen zien. Hoewel het team nog geen definitief signaal heeft gevonden, stelt hun verbeterde gevoeligheid hen in staat om de strengste grenzen vast te stellen aan de vraag waar deze deeltjes zich mogelijk verbergen, waardoor ze effectief een breed scala aan mogelijkheden uitsluiten die andere experimenten niet konden bereiken.

Dit werk helpt ook een langlopend debat in het vakgebied te beslechten. Een ander experiment, DAMA/LIBRA, heeft gerapporteerd een jaarlijkse schommeling in hun gegevens te zien die zij toeschrijven aan donkere materie, maar andere detectoren hebben dit niet kunnen bevestigen. Omdat beide experimenten hetzelfde type kristal gebruiken, zouden ze direct de noten kunnen vergelijken. Echter, verschillen in hoe ze energie meten, hadden een directe vergelijking moeilijk gemaakt. Door hun drempelwaarde te verlagen naar 0,49 keV en zorgvuldig rekening te houden met hoe hun kristallen op energie reageren, heeft het COSINE-100-team nu hetzelfde laagenergetische startpunt bereikt als DAMA/LIBRA. Dit stelt hen in staat om de claim van het andere experiment te testen over het volledige bereik van energieën waar het signaal werd gerapporteerd, zonder aannames te hoeven doen over hoe de deeltjes zich gedragen.

De bevindingen vormen een belangrijke stap voorwaarts in de zoektocht naar het onzichtbare universum. Door de grenzen van wat hun detectoren kunnen horen te verleggen, hebben de wetenschappers een nieuw venster geopend naar het laag-massa domein van donkere materie. Ze hebben aangetoond dat met de juiste instrumenten en genoeg geduld, zelfs de zwakste fluisteringen van de kosmos te onderscheiden zijn van de stilte. Hoewel het mysterie van donkere materie nog onopgelost is, bewijst dit werk dat de zoektocht verre van voorbij is, en dat de volgende doorbraak kan komen door simpelweg iets nauwkeuriger te luisteren.