در کانی‌های موجود در عمق زمین ممکن است اثرهایی از برخورد با ماده‌ی تاریک دیده شود. ماده‌ی تاریک ماده‌ای فرضی است و پژوهشگران تصور می‌کنند بخش عمده‌ی ماده موجود در جهان را تشکیل می‌دهد. آزمایش‌هایی که برای تحقیق درستی این نشانه‌ها طراحی شده است، می‌توانند روزی این تلاش‌های پیوسته و در حال پیشرفت را تکمیل کنند یا حتی به عرصه‌ی رقابت بکشاند؛ این پیشرفت‌ها در جهت آشکارسازی مستقیم ماده‌ی تاریک برداشته می‌شوند.

پژوهشگران با استفاده از آشکارسازهای پیشرفته‌ای که تا عمق زمین پیش می‌روند، دهه‌ها به‌دنبال علائمی از ماده‌ی تاریک بوده‌اند. اما اکنون،‌ کاترین فریس، فیزیک‌دان دانشگاه میشیگان در ان آربر به‌همراه همکارانش اظهار می‌کند کانی‌هایی مانند هالیت (سدیم کلرید) و Zabuyelite (لیتیم کربنات) می‌توانند مانند آشکارسازهای ساخته و آماده عمل کنند.

اخترشناسان می‌توانند اثر گرانشی ماده‌ی تاریک بر حرکت کهکشان‌ها و خوشه‌های کهکشانی را شناسایی و آشکار کنند؛ اما هیچگاه نتوانستند به‌طور مستقیم آن را مکان‌یابی کنند. توضیح ساده و ابتدایی می‌گوید ماده‌ی تاریک از موادی ساخته شده است که به‌صورت ذرات سنگین با برهم‌کنش ضیف (WIMPها) شناخته می‌شوند. عمدتاً گرانش، این ذرات را با ماده‌ی معمولی وارد واکنش می‌کند.

هدف آزمایش‌های آشکارسازی مستقیم، پیدا کردن آثار جزئی پس از برخورد WIMPها با هسته اتم‌ها در موادی از قبیل ژرمانیم، سیلیکون یا سدیم یدید موجود در درون یک آشکارساز است.

اینگونه آزمایش‌ها باید در اعماق زمین واقع شوند تا از تابش‌های کیهانی که سطح زمین را بمباران می‌کنند در امان بماند. این پرتوها نیز می‌توانند آثاری جزئی ناشی از برخوردشان با مواد آشکارساز برجا بگذارند. به این ترتیب، هر سیگنالی که به‌طور بالقوه از ماده‌ی تاریک به دست آید، گم می‌شود. تاکنون تنها آزمایش DAMA/LIBRA در آزمایشگاه ملی گران ساسو اظهار کرده ماده‌ی تاریک را شناسایی و آشکار کرده است؛ اما این ادعا همچنان ثابت‌نشده باقی مانده است.

حفاری عمیق

به استدلال فریس و همکارانش، کانی‌هایی مثل هالیت و Zabuyelite در اعماق زمین وجود دارند و بنابراین از هرگونه تابش کیهانی در امان هستند. طبق تجزیه‌وتحلیل‌های تیم تحقیقاتی که ماه گذشته بر پایگاه پیش‌نشر arXiv منتشر شد، اگر WIMP در هسته‌ی یک اتم، فرضاً سدیم یا کلرید برخورد کند، هسته پس‌روی می‌کند. این روند مسیری در کانی نقش می‌بندد که از ۱ تا ۱۰۰۰ نانومتر طول دارد.

آزمایشی قادر بود کانی‌ها را از چاه‌هایی به عمق کیلومترها بیرون بکشد؛ البته هنوز هم برای پژوهش‌های زمین‌شناسی و حفاری نفت وجود دارند. این کانی‌ها ممکن است ۵۰۰ میلیون سال عمر داشته باشند. لازم است فیزیک‌دانان کانی‌های استخراج‌شده را منفجر کنند و سطوح در معرض و بارز را زیر یک میکروسکوپ الکترونی یا میکروسکوپ نیروی اتمی قرار دهند؛ به‌دلیل اثرهای ناشی از پس‌روی هسته‌ای. آن‌ها همچنین می‌توانند از پویشگرهای (اسکنر) پرتو ایکس یا سه‌بعدی فرابنفش برای مطالعه‌ی سریع‌تر تکه‌های بزرگ‌تر کانی‌ها استفاده کنند، با این تفاوت که وضوح تصویر کمتر می‌شود.

برخوردهای بالقوه با WIMPها علائم مختلفی در هر عنصر از هر کانی ایجاد می‌کند. در نتیجه منابع مختلفی از اطلاعات را برای ما فراهم می‌کند. فریس می‌گوید:

برای مثال، سدیم کلرید، هم سدیم و هم کلرید دارد، پس ما سیگنال‌های متعددی تنها از یک کانی می‌گیریم. اگر سیگنال‌ها مثبت باشند، آنگاه درمی‌یابیم سدیم کلرید بر پایه چه نوع WIMP استوار است. باتوجه به پراکندگی‌ای که از سدیم و همچنین از کلرید انجام می‌دهد.

هویت اشتباهی

دان هوپر فیزیک‌دان آزمایشگاه شتاب‌دهنده‌ی ملی فرمی واقع در بتیویای ایلینوی این ایده راهیجان‌انگیز می‌داند:

هرچند هنوز قبل از اینکه این نوع برنامه را واقع‌بینانه اجرا کنیم، جزئیات زیادی برای فاش کردن وجود دارد، اما حداقل در اصل من دلیلی نمی‌بینم این برنامه نتواند موفقیت‌آمیز باشد.

اما بقیه، از جمله خوان کولار فیزیک‌دان دانشگاه شیکاگو در ایلینوی به نکته‌ی محتاطانه‌ای اشاره می‌کند. در اواسط دهه‌ی ۱۹۹۰، فیزیک‌دانان از کانی میکا برای اهداف پژوهشی مشابه خود در زمینه ماده تاریک استفاده کردند. اما کولار متعاقباً نشان داد واپاشی هسته‌ای اورانیوم در کانی‌ها، شیارهایی را در میکا تولید می‌کند. تشخیص این شیارها از شیارهای WIMP غیرممکن است. او می‌ترسد طرح فریس به سرنوشت مشابهی دچار شود. کولار می‌گوید:

این مسئله تنها به میکا محدود نمی‌شود؛ درعوض روی هر کانی با فراوانی فراگیر طبیعی اورانیوم و توریوم اثر می‌گذارد. می‌توان کانی‌هایی یافت که این موضوع در آن‌ها کم‌تر است اما به گمان من اظهارات آن‌ها بسیار خوش‌بینانه است.

فریس اذعان می‌کند وجود اورانیوم مایه نگرانی است. با این حال معلوم نیست کانی‌‌های پیشنهادی او و تیمش آلاینده‌های اورانیوم یا توریوم دارند یا نه. فریس می‌افزاید:

ممکن است بتوان الگوهای حکاکی ویژه را شناسایی کرد که تنها از طریق انفجار واپاشی هسته‌ای خلق می‌شوند و آن‌ها را نادیده گرفت. حقیقت این است ما باید این عمل را انجام دهیم تا بتوانیم آن را درک کنیم.