Mørk, usynlig materie utgjør fem ganger så mye som den vanlig materien: stjerner, gass, støv – og oss. Den finnes overalt, men vi vet ikke hva den egentlig består av.
Ett av mange eksperimenter som forsøker å finne spor av den ukjente materien, befinner seg dypt inne i Gran Sasso-fjellet i Italia. Her har forskerne plassert en gigantisk tank fylt med 3,5 tonn flytende xenon, en tung edelgass.
Tanken var at mørk materie-partikler av typen WIMP – weakly interacting massive particles eller svakt vekselvirkende partikler – dersom slike finnes, ville dulte borti atomkjernene til xenon-atomer og skape små lysglimt som kan registreres av sensorer i eksperimentet.
Etter 14 års resultatløs jakt på lysglimt fra WIMP'er kom forskerne på at de kunne lete etter andre partikler, partikler som ikke dytter borti atomkjernen, men i elektronene.
Slike hendelser har de behandlet som bakgrunnsstøy fra forurensning i eksperimentet, men etter å ha redusert støyen, var det mulig å lete etter hendelser med betydning.
En fiffig liten bump
Og sannelig, der forskerne forventet å se 232 slike dytt på elektroner, med en usikkerhet på +-15, fant de 285.
Anders Kvellestad, teoretisk partikkelfysiker ved UiO, så framleggelsen av de nye resultatene.
– Jeg er ingen ekspert på denne typen søk etter veldig lette, ny partikler, men resultatet ser virkelig imponerende ut.
– Det er en fiffig liten bump i datasettet deres, nede ved de laveste energiene de kan detektere, sier han.
Etter et års grubling har forskerne bak eksperimentet kommet fram til tre mulige forklaringer.
Funnet er ikke nok til å få partikkelfysikere til å hoppe i taket, men nok til å heve en rekke øyebryn, mener Anders Kvellestad.(Foto: UiO)
Bare forurensning?
Først den kjedelige: Det kan skyldes forurensning av tritium, en radioaktiv variant av hydrogenatomet. Så lite som tre tritiumatomer per kilo xenon skal til for å forklare de ekstra elektrondyttene.
Slik forurensning er ikke oppdaget i xenon-eksperimenter tidligere, men forskerne peker på at de verken kan utelukke eller bekrefte at dette er årsaken.
De to andre forklaringene er mye mer spennende:
Den ene har med nøytrinoer å gjøre, disse florlette partiklene som finnes overalt i universet og som vi fremdeles ikke vet så mye om.
Skulle det vise seg at de likner litt på en magnet med sør- og nordpol, kan de interagere med elektronene og skape signalet i xenon-eksperimentet.
Verdens mest sensitive mørk materie-eksperiment: Fra 2016-2019 søkte forskerne etter spor av mørk materie med XENON1T. En enda bedre og større detektor er under installasjon i Italia.(Foto: Xenon-kollaborosjonen)
...eller en ny type partikkel?
Annonse
Det kan også skyldes aksioner, en hypotetisk partikkel som ble foreslått på 1970-tallet, men ikke er observert så langt.
– Om man tolker bumpen i dataene som et mulig signal fra aksioner, er signifikansen på cirka 3.5 sigma. Ikke nok til å få partikkelfysikere til å hoppe i taket, men nok til å heve en rekke øyebryn, mener Kvellestad.
For å hevde en oppdagelse er partikkelfysikernes gullstandard en statistisk signifikans på 5 sigma, noe som tilsvarer at de er 99,9999 prosent sikre på at signalet ikke er et statistisk blaff.
Stemmer teorien bak aksioner, kan den forklare hvorfor den sterke kjernekrafta, den som binder nøytroner og protoner sammen i atomkjernen, ikke ser ut til å bry seg om hvilken vei tiden går.
Aksion: mulig mørk materie
Kvellestad forklarer den kompliserte teorien slik:
– Vi vet fra eksperimenter at en parameter i likningene for den sterke kjernekrafta må være ekstremt liten, men Standardmodellen – teorien om partikler og krefter – har ingen forklaring på hvorfor det er slik.
– I Peccei-Quinn-mekanismen fra 1977 forklares dette ved å innføre en ny symmetri i likningene, som så brytes av et nytt kvantefelt. Dette minner om Higgsmekanismen, der Higgsfeltet er ansvarlig for «spontant» å bryte en annen symmetri i Standardmodellen. En observerbar konsekvens av dette nye kvantefeltet vil være en ny, og antakelig veldig lett, partikkel kjent som aksionet.
– En bonus ved denne teorien: Aksionet er en elektrisk nøytral partikkel som kun vekselvirker veldig svakt med andre partikler. Altså kan aksionet også være en av flere mulige bidrag til mørk materie i universet! sier Kvellestad.
Vaskemiddelpartikkel
Aksioner har for øvrig fått navnet sitt fra et vaskemiddel. Nobelprisvinner Frank Wilczek hadde sett vaskepulveret på butikken og tenkte at dette var et passende navn på en partikkel. Da han oppdaget teorien bak aksionene, så han sitt snitt.
Forskerne bak eksperimentet sier ikke at det er slike aksioner de kan ha sett. Men dersom aksioner skulle vise seg å finnes, produseres de også i stjerner, og det er aksioner produsert i vår egen sol som kanskje kan ha laget signalet i xenon-tanken i Italia.
Annonse
– De aksionene som eventuelt utgjør mørk materie, har for lite energi til å oppdages i eksperimentet. Men aksionene som produseres i sola, kan få nok kinetisk energi til å oppdages i detektoren, forklarer Kvellestad.
– Personlig tror jeg ikke det er aksioner fra sola som forklarer signalet i dataene, sier han.
Nye svar innen rekkevidde
Hovedargumentet er dette: Dersom aksioner produsert i sola skal forklare bumpen, så burde det også produseres store mengder aksioner i enda varmere stjerner. Aksionene vil da stikke av med en betydelig andel av stjernas energi, noe som fører til en nedkjøling av stjerna. Dessverre ser det ut til at nedkjølingseffekten som signalet fører til er for stor til å stemme med andre astrofysiske observasjoner.
– Men man vet aldri – det er garantert mange muligheter her vi ikke har tenkt på ennå. Det som er sikkert, er at det kommer til å bli skrevet mange teoristudier om aksioner og andre hypotetiske, lette partikler i tida frem til vi får nye data, sier Kvellestad.
Denne gangen trenger det ikke ta så veldig lang tid før de nye dataene kommer. Forskerne har en ny detektor under installering i Gran Sasso-laboratoriet: XENONnT inneholder hele 8,4 tonn xenon og har enda lavere bakgrunnsstøy. Forskerne forventer nye svar etter bare noen få måneder med datainnsamling.
