Xenon1T er plassert i en hule som måler 100x20x18 meter. Plakaten på den store vanntanken viser innholdet – selve detektoren sitter inne i midten av tanken. Den gjennomsiktige bygningen ved siden av rommer blant annet kjølesystemet.   (Foto: The Xenon Collaboration)
Xenon1T er plassert i en hule som måler 100x20x18 meter. Plakaten på den store vanntanken viser innholdet – selve detektoren sitter inne i midten av tanken. Den gjennomsiktige bygningen ved siden av rommer blant annet kjølesystemet. (Foto: The Xenon Collaboration)

Enorm detektor er klar til å fange mørk materie

Dyp inne i et italiensk fjell står den kjempemessige detektoren Xenon1T. Den skal hjelpe fysikerne med å finne spor etter den mystiske mørke materien. 

Publisert

Fakta

120 forskere fra 24 forskjellige land arbeider ved eksperimentet, som har deltakere fra 21 universiteter i USA, Italia, Tyskland, Sveits, Portugal, Frankrike, Nederland, Israel, De forente arabiske emirater og Sverige.

Under 1400 meter med stein, dypt nede i fjellmassivet Gran Sasso midt i Italia, har fysikere plassert en meterstor termos med 3,3 tonn iskaldt, flytende xenon midt i en vanntank som er 10 meter høy og 9,6 meter i diameter.

Den underjordiske installasjonen utgjør en detektor som skal fange spor etter mørk materie. Dette mystiske stoffet – som vi ikke kan se, men som astronomene er sikre på at finnes i store mengder i universet – er uhyre vanskelig å spore. Men den nye detektoren er den mest følsomme noensinne, så nå burde det være mulig.

Fysikerne har nettopp innviet detektoren, som kalles Xenon1T. Den er den neste i rekken etter Xenon10 og Xenon100 – for hver generasjon har detektoren blitt ti ganger mer følsom.

Massevis av mørk materie

Den mørke materien påvirker vanlig materie gjennom tyngdekraften, og astronomene kan se at det må være store mengder av den – faktisk viser astronomiske observasjoner at det er om lag 5,5 ganger så mye mørk materie som vanlig materie.

– Vi vet hvor mye mørk materie det er i universet, og vi har også en god forståelse for hvor mye det er her i vårt nabolag, forteller Steen H. Hansen, som er førsteamanuensis ved Niels Bohr-instituttet ved Københavns Universitet, hvor han forsker på mørk materie.

– Men vi vet fortsatt ikke hva den mørke materien egentlig er – hva slags partikler den består av.

Her holder teknikerne på å legge siste hånd på detektoren, som nå er plassert i vanntanken. Detektoren rommer 3,3 tonn flytende xenon ved om lag 100 minusgrader. I tanken er detektoren plassert i en «termos» av rustfritt stål.  (Foto: The Xenon Collaboration)
Her holder teknikerne på å legge siste hånd på detektoren, som nå er plassert i vanntanken. Detektoren rommer 3,3 tonn flytende xenon ved om lag 100 minusgrader. I tanken er detektoren plassert i en «termos» av rustfritt stål. (Foto: The Xenon Collaboration)

Problemet med den mørke materien er at vi ikke kan se den i teleskopet, for det sender ikke ut noen form for elektromagnetisk stråling, heller ikke lys – derav navnet. Faktisk vekselvirker den nesten ikke med vanlig materie, og derfor er den uhyre vanskelig å undersøke.

Lysglimt røper kollisjoner

Fysikerne har likevel noen teorier om hva mørk materie kan være. Den mest populære teorien sier at den består av forholdsvis tunge elementærpartikler – såkalte WIMP-er (Weakly Interacting Massive Particles). I så fall vil det finnes slike partikler overalt omkring oss, og faktisk farer mange av dem gjennom oss hvert eneste sekund.

En sjelden gang burde en WIMP kollidere med et vanlig atom. Det er nettopp slike kollisjoner forskerne håper å kunne se sporene av i Xenon1T.

Edelgassen xenon er blant de stoffene som lyser opp når de rammes av andre partikler, så ideen er å samle opp en masse xenon og se etter lysglimt.

I gassform tar xenon mye plass, så det er smartere å ha det i flytende form. Derfor blir det kjølt ned til om lag minus 100 grader og plassert i en stålbeholder med doble vegger.

248 ekstremt følsomme lysdetektorer er klare til å måle de små lysglimtene som kan avsløre den mørke materien.

Støy må sorteres ut

Det lyder enkelt, men problemet er at kosmisk stråling eller naturlig radioaktivitet fra omgivelsene kan gi lignende signaler.

Det er derfor eksperimentet finner sted dypt inne i et fjell. Det beskytter mot bakgrunnsstrålingen. Og derfor er beholderen med xenon omgitt av rent vann på alle kanter, slik at vannet stanser mesteparten av den naturlige strålingen. Mørk materie trenger lett gjennom både fjell og vann, så derfor er det stort sett bare denne som kan komme helt inn til det flytende xenonet.

Selv om detektoren nå er innviet, blir den først satt i drift for alvor til neste år, da de første vitenskapelige resultatene kan tenkes å dukke opp. Med litt flaks vil de første partiklene av mørk materie raskt dukke opp.

– Hvis mørk materie er slike WIMP-er, så burde Xenon1T kunne oppdage dem, sier Steen H. Hansen.

– WIMP er imidlertid et litt bredt begrep som dekker alle typer partikler som er massive og svakt vekselvirkende. Hvis de veier for mye eller vekselvirker enda svakere enn fysikerne forestiller seg, kan ikke detektoren måle dem. Men de aller fleste av modellene – rundt 90 prosent – forutsier en type som Xenon1T vil kunne oppdage.

Et nullresultat kan også brukes

Hvis det ikke dukker opp mørk materie i Xenon1T, kan fysikerne avvise mange av teoriene sine. Det vil gi vind i seilene for andre teorier om hva mørk materie består av, forteller Hansen:

– Alle mulige grupper rundt omkring ved universitetene har sine egne kjepphester. Partikler som kalles sterile nøytrinoer eller axioner, forskjellige former for sammensatte partikler – alt mulig.

– De fleste vekselvirker altfor svakt til å måles direkte. De veier for lite og avgir for lite energi i et sammenstøt. Så hvis den mørke materien ikke er WIMP-er, så har man bare de astronomiske observasjonene å støtte teoriene sine på.

WIMP-er er uhyre vanskelige å fange opp, men alternativene er altså enda vanskeligere å ha med å gjøre. WIMP-er er likevel fortsatt favoritten hos de fleste fysikerne, som altså regner med at det vil dukke opp signaler i Xenon1T. Hvis det ikke skjer, er de klare med planer om enda mer følsomme detektorer.

Det tok under en måned å konstruere den store vanntanken. Videoen viser hvordan det gikk for seg:

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.