En datamodell av hvordan detektoren skal se ut. Den ligger i en sidetunnel og peker rett mot kollisjonene i ATLAS-detektoren. (Bilde: Jamie Boyd/CERN)
En datamodell av hvordan detektoren skal se ut. Den ligger i en sidetunnel og peker rett mot kollisjonene i ATLAS-detektoren. (Bilde: Jamie Boyd/CERN)

Ny CERN-detektor skal lete etter mørk materie

Forskerne skal lete etter mørk-materie-partikler som de tror finnes.

Published

Mørk materie er en merkelapp som har blitt satt på et stort, uløst problem i moderne fysikk: Nemlig at forskere enda ikke vet hva over 80 prosent av all massen i universet egentlig er for noe.

Alle stjernene, planetene, gassen og det andre som forskerne kan observere i en galakse som Melkeveien, er ikke massive nok til å holde galaksen sammen. Hvis universet bare hadde bestått av det astronomene kan se, kunne ikke galaksene eksistert.

Den hypotetiske mørke materien trengs defor for å forklare hvorfor universet ser ut som det gjør.

Andromeda-galaksen, slik den ser ut fra jorda. Denne, og alle andre galakser, ville ikke sett ut som den gjør hvis det ikke var for mørk materie. (Bilde: Adam Evans/CC BY 2.0)
Andromeda-galaksen, slik den ser ut fra jorda. Denne, og alle andre galakser, ville ikke sett ut som den gjør hvis det ikke var for mørk materie. (Bilde: Adam Evans/CC BY 2.0)

Partikler?

Standardmodellen, som beskriver de mest grunnleggende partiklene vi vet om, er ikke et fullstendig bilde av verden uten en forklaring på mørk materie.

Det finnes mange mulige forklaringer på hva mørk materie består av og hvordan den oppfører seg. Noen av disse forklaringene krever at det finnes egne mørk materie-partikler, og forskjellige metoder trengs for å lete etter de forskjellige partiklene.

Noen leter etter WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), en populær hypotese som foreløpig ikke har gitt noe endelig svar. Men store detektorer leter etter nettopp disse partiklene.

Disse mørk materie-partiklene må ha noen egenskaper som gjør dem veldig vanskelige å måle. De samhandler ikke med elektromagnetisk stråling - lys - derfor kalles de mørke. Det kan også være at de ikke påvirker eller blir påvirket av noen annen kjent fundamental naturkraft enn tyngdekraften.

Mørke fotoner?

Nå har CERN godkjent et nytt instrument som skal kunne finne mange forskjellige hypotetiske, spesielt lette partikler, blant annet såkalte mørke fotoner eller axioner- partikler som forutsies av visse mørk materie-hypoteser, ifølge designforslaget hos ArXiv.org.

– Dette er et fint eksempel på hvordan LHC-eksperimentet kan brukes til andre ting, sier Are Raklev til forskning.no. Han er partikkelfysiker ved UiO.

LHC består av en 27 kilometer lang ring under bakken på grensen mellom Sveits og Frankrike. I denne ringen kollideres partikler mot hverandre i detektorer, og fysikerne kan måle hvilke partikler som kommer ut av disse kollisjonene.

Hypotesen sier at for eksempel disse mulige mørk materie-partiklene vil henfalle til andre partikler som kan måles.

– Men de lever for lenge til å bli oppdaget inne i ATLAS-detektoren, så de vil henfalle til andre partikler utenfor selve detektoren, sier han.

Disse partiklene beveger seg i svært høye hastigheter, og ideen er at små, lette partikler vil fortsette i en rett linje ut av kollisjonene, parallelt med selve partikkelstrålen.

Denne rette linjen går gjennom stein og vegger, og nå skal det settes opp en detektor i denne linjen som skal undersøke om det faktisk kan registreres noen spor etter hypotetiske partikler.

Instrumentet kalles FASER, som står for Forward Search Experiment, og den skal installeres før LHC startes opp igjen i 2021. Detektoren skal plasseres over 400 meter unna ATLAS, en av LHCs store partikkeldetektorer.

Den er 46 meter lang og veier over 7000 tonn, men den måtte vært mye større hvis den skulle kunnet undersøke alle mulige slags foreslåtte partikler.

ATLAS-detektoren blir satt sammen. Se mannen i midten av bildet for skala.(Bilde: Maximilien Brice/CC BY-SA 4.0)
ATLAS-detektoren blir satt sammen. Se mannen i midten av bildet for skala.(Bilde: Maximilien Brice/CC BY-SA 4.0)

– Da hadde ATLAS måttet være hundrevis av meter lang, noe som ikke går, sier Raklev.

Forskerne omgår dette problemet med å sette opp FASER, som er svært liten sammenlignet med resten av det digre LHC-eksperimentet. FASER-detektoren er bare fem meter lang, men det skal være nok til å se om den kan finne noen spor etter såkalte eksotiske partikler.

Detektoren skal begynne å samle målinger når LHC startes opp igjen i 2021. FASER er en del av programmet Physics Beyond Collider (PBC), som er et program for å bruke CERN-fasilitetene til å gjøre andre eksperimenter.