Meny

Hvor går veien videre?

Fremdeles ingen spor etter mørk materie

Illustrasjon: Hvor gjemmer du deg, mørke materie? Foto: Jakub Grygier / Shutterstock / NTB scanpix
Hvis såkalte WIMP-partikler finnes så må de være nokså sære. Men professor Are Raklev sier at det finnes en zoologisk hage av mørke hypoteser, og nå ser forskerne at søket har utvidet seg.

Det er noe som ikke stemmer. Stjerner, planeter og gasser har ikke nok masse til å kunne forklare hvorfor de holdes på plass i galakser av tyngdekraften. Galaksene roterer for raskt, stjernene skulle egentlig spunnet ut til alle retninger. Det er «noe» der som gjør at galaksene er tyngre enn de ser ut, og dette noe kalles mørk materie.

Hele 83 prosent av universets masse er et mysterium.

De siste tretti årene har vi ikke sett snurten av noe mørk materie gjennom eksperimenter designet for å avsløre de mest populære kandidatene.

– Det er en gryende følelse av «krise» på feltet mørk materie, som kommer av fraværet av bevis for de mest populære kandidatene for mørk materie, til tross for den enorme innsatsen som er blitt gjort for å finne disse partiklene, påstår Gianfranco Bertone og en kollega i en artikkel i tidsskriftet Nature med tittelen «A new era in the search for dark matter». Denne tar kort for seg hva vi så langt har funnet ut, og hvor forskerne kommer til å lete videre.

– Men jeg vil argumentere for at det er en god ting. For nå vil nye muligheter melde seg. Personlig er jeg optimistisk om at vi vil lære mye mer om mørk materie i løpet av det neste tiåret, sier Bertone til Nature sin podcast.

Les også: Vi har mørk materie rundt oss

De vakre WIMPene

Den mest lovende forklaringen på hva mørk materie er for noe har vært såkalte weakly interacting massive particleseller WIMP. Dette er hypotetiske partikler som har masse og dermed påvirker tyngdekraften, men ellers farer de bare gjennom vanlig materie.

Are Raklev, professor ved fysisk institutt ved UiO. Foto: UiO

Jakten på WIMP-ene har foregått i partikkel-krasjeren LHC i Cern og i Large Underground Xenon-detektoren (LUX) som ligger dypt nede i en gruve i Sør-Dakota.

Are Raklev, professor ved Universitetet i Oslo og ekspert på astropartikkelfysikk, forklarer hvorfor WIMP er en så hot kandidat for å forklare mørk materie.

– Det handler om magiske tall, hvis det finnes en partikkel som bare har det vi kaller for elektrosvake interaksjoner med verden, en såkalt weak particle, så vil det automatisk være akkurat riktig mengde av den til å forklare mørk materie. Det er noe som har blitt kalt WIMP-miraklet.

Men jakten har så langt ikke ført frem.

– Er det snart på tide å sette en strek over denne hypotesen?

– Det er nesten umulig å fullstendig ekskludere muligheten for å finne en WIMP-partikkel. Men etter hvert som du leter etter den med stadig mer sensitive eksperimenter, så blir det mindre plass igjen til den. Den må da ha en veldig sær oppførsel for å unnslippe alle de eksperimentelle forsøkene som prøver å finne den.

Raklev forklarer at dette handler om ønsket om at fysikken skal være vakker eller «naturlig».

– Den som leiter mister etter hvert troen, fordi modellene du er nødt til å benytte blir så innvikla og spesielle. Det skal helst føles naturlig og elegant. Når vi leiter mer og mer etter WIMP og ikke finner den så blir den mindre og mindre elegant og mer sær.

Personlig har Raklev ikke mistet troen på WIMP-en og tror vi bør gi den 5 – 10 år til.

Les også: Skjønnheten leder fysikk på ville veier

(Artikkelen fortsetter under bildet)

Figuren viser fem hovedideer om hva mørk materie er, videre flere ideer med litt samme utgangspunkt. (Illustrasjon: Brukt med tillatelse fra Nature: Nature, "A new era in the search for dark matter", Gianfranco Bertone & Tim M. P. Tait. [COPYRIGHT] Oktober, 2018.)

En eksplosiv teori

Men at folk går rundt og kjenner på noen «krisestemning» vil ikke Raklev være med på.

– Nei, det er et tøysete ord å bruke. Det handler mer om at det nå har blitt en naturlig overgang til å lete etter andre forklaringer på mørk materie.

Og det mangler ikke på ideer å utforske. Tidligere har Raklev jobbet med en alternativ kandidat som kalles gravitino. Det er den ukjente partneren til den tenkte partikkelen graviton. Et graviton er den partikkelen man tror overfører gravitasjonskreftene, akkurat som fotonet, lyspartikkelen, overfører elektromagnetisk kraft.

– Gravitonet har vi aldri heller sett. Jeg hadde en kjæreste en gang som vitset om at det eneste jeg jobbet med, var hypotetiske partnere til hypotetiske partikler.

Den sprøeste hypotesen Raklev kjenner til stammer fra den danske teoretikeren Holger Bech Nielsen. Han mener å kunne forklare den ekstreme Tunguska-eksplosjonen i Sibir i 1908 med at det var en klump med mørk materie bestående av 12 toppkvarker som raste inn over ødemarken og ødela kilometervis med skog.

Apropos sprø teorier så er det også foreslått at mørk materie kan lage sine egne «molekyler» og danne en mørkt skyggeunivers med planeter og stjerner midt inne i det universet vi lever i. Eller er kanskje den mørke materien krøllet opp skjult i en femte dimensjon som i teorien om Kaluza-Klein- partikkelen.

Les også: Skjult skyggeunivers - midt iblant oss

Sorte hull relansert som forklaring

– Om vi går tilbake til de litt mer sentrale hypotesene, er det noen som tegner seg som en ny toppkandidat?

– Ikke veldig klart. Axioner er en av favorittene, så har vi har sterile nøytrinoer. Nå har man også relansert sorte hull som en kandidat, selv om man lenge har vært ganske sikre på at det ikke er sorte hull.

Årsaken til fornyet interesse for sorte hull som forklaring på mørk materie er påvisningen av gravitasjonsbølger. Dersom forklaringen på den manglende massen i universet er en mengde sorte hull, trenger vi kanskje ikke hypotetiske partikler.

– Oppdagelsen av gravitasjonsbølger ser ut til å indikere at det finnes mange flere sorte hull av en bestemt type, såklalte urhull, enn det vi trodde.

– Men det er en del problemer med teorien. For det første så er det problematisk å forestille seg hvordan alle disse sorte hullene skulle blitt skapt i det tidlige universet. Vi vet stort sett hva som ville laget urhull: det at det finnes små fortetninger i stoffet i det tidlige universet som trekker til seg mer og mer stoff ved hjelp av gravitasjon og til slutt klapper sammen til et sort hull. Vi skjønner bare ikke hvordan dette skal skje tilstrekkelig mye til å forklare all mørk materie.

– Så er det også vanskelig å forestille seg at vi har unngått å oppdage en stor samling av massive sorte hull allerede. Vi har lett etter dem.

Raklev tror derfor at denne hypotesen ikke vil føre frem.

Jakter på axioner ved hjelp av speilvegger

Faktisk har vi funnet en type mørk materie-partikkel. Disse passer til begrepet ved at de ikke reflekterer eller absorberer lys, de interagerer ikke med annen materie og det fyker milliarder av dem tvers gjennom oss hele tiden. Disse luringene kalles nøytrinoer.

– De er definitivt en mørk materie-partikkel, men de er ikke den mørke materien vi leter etter.

De er nemlig ikke tunge nok til å gjøre opp for all den massen som mangler, ikke på langt nær. Men forskere har en idé om at partikkelen kan ha et tyngre søsken, et såkalt sterilt nøytrino. Disse virker enda sjeldnere inn på annen materie, faktisk så sjeldent at det ville tatt hele universets livstid for at et av dem skulle treffe inn i et atom. Da virker det ganske håpløst. Men de vil kunne henfalle til noe vi kan se, fotoner.

Det er ved hjelp av fotoner man også håper å oppdage mørk materie kandidaten axionet.

– Det er noen ganske nye eksperimenter hvor forskere prøver å finne axioner. Disse kalles «lys gjennom veggen-eksperimenter».

De foregår ved at massevis av fotoner reflekteres frem og tilbake mellom to reflekterende speil i et sterkt magnetfelt. Så følger man med på om et foton skulle finne på å dukke opp på baksiden av speilveggene.

– Fotoner skal ikke kunne gå gjennom vegger. Om det skjer så må de i et øyeblikk ha forvandlet seg til et axion, for disse kan gå igjennom.

Partiklenes tyngre søsken

Jakten på mørk materie henger sammen med ønsket om å finne en teori om alt. På 70-tallet ble elektromagnetismen bundet sammen med den svake og sterke kjernekraften i standardmodellen. Men fysikere har enda ikke klart å forene den fjerde naturkraften, tyngdekraften med de tre andre.

Teorien om supersymmetri kan bidra til å løse dette problemet og samtidig forklare mørk materie.

– Supersymmetri er en ide om at det finnes et ekstra sett av elementærpartikler som er tyngre enn dem vi kjenner, såkalt superpartnere.

Forskere har forsøkt å oppdage beviser for supersymmetri i partikkelakseleratoren LHC, men det har foreløpig ikke dukket opp noe som tyder på at slike skyggepartikler finnes. Eller har det det?

Raklev forteller at han og kolleger har gjort en metaanalyse av data fra LHC.

– Det vi har gjort er å se på en mengde søk etter supersymmetri, og når vi slår alt sammen og behandler dataene statistisk på en ordentlig måte, så dukker det opp et ganske betydelig overskudd av LHC-kollisjoner hvor det skjer noe rart.

Dette rare er at det finnes en ubalanse i noen kollisjoner.

– Du ser at du har laget et stoff og det stoffet er på vei i en retning, men i den andre retningen er det ikke noe rekyl. Da kan du derifra slutte at du må ha produsert noe usynlig.

Raklev og de andre venter nå i spenning på at resten av dataene fra LHC som er tatt det siste året skal analyseres. Kan det være en sensasjon rundt hjørnet?

– Det kommer ikke til å dukke opp før i mars, så vi kan ikke si noe sikker før det, men det blir spennende.

Artikkelen ble først publisert av Forskning.no

Populært