Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Oslo - les mer.

Simulering av mørk materie i universet. Galaksene dannes i de rosa områdene. Uten mørk materie ville ikke universet hatt noen strukturer som galakser. (Illustrasjon: Illustris-prosjektet)
Simulering av mørk materie i universet. Galaksene dannes i de rosa områdene. Uten mørk materie ville ikke universet hatt noen strukturer som galakser. (Illustrasjon: Illustris-prosjektet)

Mørk materie får stadig færre steder å gjemme seg

Forskerne leter og leter, men mørk materie er fremdeles et like stort mysterium. En ny studie utelukker at det dreier seg om lette partikler.

Publisert

Noen ting virker veldig mystiske. Ta mørk materie, for eksempel. Haugevis av observasjoner i astrofysikken forteller oss at mesteparten av massen i verden består av noe annet enn atomer og denslags.

– Vi tror det er en slags partikler, begynner Torsten Bringmann, professor i teoretisk fysikk ved UiO – men det er mange muligheter.

Vi vet også at de må påvirkes veldig lite av vanlig materie, ellers ville vi allerede ha sett dem. Mørk materie reagerer på gravitasjonskraften, men svært lite på elektromagnetisme, som sansene våre og teleskoper er basert på.

Eksperimenter i gamle gruvesjakter

En vanlig metode for å finne mørk materie-partikler er å plassere en detektor – det kan for eksempel dreie seg om en tank med edelgassen xenon – på et skjermet sted hvor det ikke er noe støy i form av kosmisk stråling eller annet.

En gammel gruvesjakt dypt nede under et fjell er for eksempel et egnet sted.

Så venter man på at det en veldig, veldig sjelden gang skal krasje en mørk materie-partikkel borti en av atomkjernene i tanken.

Mørk materie-partikkelen må ha høy nok energi til å dytte så hardt på atomkjernen at forskerne kan se det i detektoren.

Beveger seg 200 kilometer i sekundet

– Vi vet at mørk materie-partikler her på jorda beveger seg med en hastighet på omtrent 200 kilometer per sekund…, sier Bringmann.

– Vent, du vet ikke hva mørk materie er, men du vet farten? Hvordan vet du det?

– Jo, hvis det bare er gravitasjon som påvirker mørk materie-partiklene, er det kun galaksens gravitasjonsfelt som bestemmer farten, ikke hvor tunge partiklene er.

Torsten Bringmann er begeistret over det han samtidig kaller et bedrøvelig resultat. (Foto: Hilde Lynnebakken/UiO)
Torsten Bringmann er begeistret over det han samtidig kaller et bedrøvelig resultat. (Foto: Hilde Lynnebakken/UiO)

Tenk på eksperimenter med ting som faller: Hvis det ikke er luftmotstand, faller en fjær og en bowlingkule like raskt.

Hvordan se lette partikler?

Energien til mørk materie-partiklene er imidlertid avhengig av massen. Lette mørk materie-partikler klarer ikke dytte hardt nok på atomkjernene til at vi greier å se det i detektoren.

Eksperimenter hvor en plasserer en detektor under jorda, har vi hatt i 30 år, og hele tiden har forskerne beregnet hvor lette mørk materie-partikler detektorene kan se basert på galaksens gravitasjonsfelt.

Mye innsats er lagt ned for å forbedre eksperimentene slik at de skal kunne se stadig lettere partikler.

Men, og her er det studien til Bringmann kommer inn, det finnes alternativer til at mørk materie-partikler akselereres av galaksens gravitasjonsfelt.

Eureka-øyeblikket

– Mørk materie-partikler produsert av kollisjoner med kosmisk stråling kan få mye høyere hastighet, helt opp i lyshastigheten dersom partiklene er lette nok, forteller Bringmann.

– Beregninger vi har gjort viser at hvis så lette mørk materie-partikler fantes, ville vi ha sett dem i de eksperimentene som allerede er gjort.

Så det er ikke detektorene som er for dårlige til å se lette partikler, de finnes rett og slett ikke?

– Vi kan utelukke et mye større område enn vi hittil har trodd, ja. Kanskje et litt bedrøvelig resultat, men nå har vi mer kunnskap om hvor det er verdt å lete, sier Bringmann.

– Dette høres jo nesten banalt ut nå, men hvordan kom dere på å sjekke dette?

– Jeg var på forskningsopphold sammen med Maxim Pospelov ved Perimeter Institute i Canada. De første dagene satt vi og diskuterte mange ulike ideer. En av dem ble etterhvert til spørsmålet om mørk materie-partikler som er akselerert av kosmisk stråling. Vi måtte gjøre en del beregninger før vi fant ut om det var en god idé, forteller han.

Studien deres har vakt en god del oppsikt etter at den ble publisert, og forskerne som jobber med detektoren Xenon i Italia har allerede tatt kontakt for å få innspill til hvordan de kan designe videre eksperimenter.

– Mørk materie-forskningen er ved et veiskille, mener Bringmann.

– Vi har lett på de stedene vi har trodd at vi burde funnet noe. Nå er forskningen i ferd med å åpne seg, vi leter også på usannsynlige steder. Samtidig må vi ha en strategi, vi må finne en ny retning for forskningen vår.

Referanse:

Torsten Bringmann & Maxim Pospelov: "Novel Direct Detection Constraints on Light Dark Matter". Physical Review Letters, 1. mai 2019. Sammendrag