I fjor ble partikkelakseleratoren LHC (Large Hadron Collider) på CERN oppgradert, blant annet for å prøve å oppdage mørk materie.

Mangfoldige partikkelkollisjoner senere har ennå ikke mørk materie blitt påvist. Er mørk materie helt umulig å oppdage med kjente midler?

Professor Torsten Bringmann ved Universitetet i Oslo (UiO) er med i en mørk materie-gruppe som prøver å se på alternative måter å oppdage mørk materie.

Vet ikke hva mørk materie er

Begrepet mørk materie begynner å bli etablert. Vi snakker om det som om det er noe der ute som er virkelig, men mørk materie er fortsatt også bare en idé, en hypotese.

Astronomiske observasjoner forteller oss at over 90 prosent av materien i universet er usynlig.

Disse ukjente 90 prosentene er det som kalles mørk materie. Den vanlige hypotesen går ut på at mørk materie er en hittil ukjent type elementærpartikkel.

– Det finnes massevis av hypoteser rundt mørk materie. Men vi vet egentlig ikke noe om den. Vi er i mørke, for å si det sånn, sier Bringmann.

Men vi trenger den mørke materien for å forklare universet.

Gravitasjonsregnestykket går ikke opp uten mørk materie. Den forklarer hvorfor stjernene beveger seg slik de gjør og er også foreløpig den eneste måten vi har til å forklare rotasjonshastigheten til galaksene.

– Mørk materie er helt grunnleggende for å forstå hvorfor universet ser ut som det gjør i dag, sier Bringmann.

– Uten mørk materie ville vi ikke ha noen strukturer i det hele tatt. Dette gjelder galakser, galaksehoper eller planeter som jorda.

Det rare er at vi vet mye om mørk materie, bare ikke hva det er.

– Det er ganske ironisk. I dag kan vi, ved å analysere den kosmiske bakgrunnsstrålingen, beregne ganske nøyaktig hvor mye mørk materie det er i universet. Likevel vet vi ingenting om hva det er.

Tror det er en ny elementærpartikkel

– Så hva er det egentlig de driver med på CERN når de leter etter mørk materie?

– De tar utgangspunkt i en hypotese om at den mørke materien vi registrerer som gravitasjon, er en elementærpartikkel. En elementærpartikkel som kan vekselvirke med andre og derfor til slutt vil dukke opp under en partikkelkollisjon i superhøy fart.

– Krasjer de partikler på måfå i håp om å oppdage mørk materie?

– Man mener at i begynnelsen, da mørk materie ble skapt, må den materie ha vekselvirket med andre partikler. Det er denne vekselvirkningen man prøver å gjenskape på CERN.

Men det finnes en mulighet for at mørk materie er en partikkel som ikke vekselvirker med andre partikler, men bare med seg selv.

– Hvis mørk materie ikke kan vekselvirke med vanlig materie, blir all den harde jobbinga på CERN satt ut av spill.

Og dette får jo store konsekvenser for hvordan man skal oppdage den.

Bringmann har likevel fortsatt tro på CERN.

– Selv tror jeg jo at CERN kommer til å oppdage mørk materie, at mørk materie er en partikkel som på en eller annen måte vekselvirker.

– Men for hver dag som går og de ikke oppdager noe, jo lavere blir også sannsynligheten for at de kommer til å gjøre det. Poenget er at det begynner å ta litt tid. Og det kan bety at vi bør se på andre måter å oppdage mørk materie.

Hva hvis CERN skuffer?

Hvis CERN ikke klarer å oppdage mørk materie, er det fortsatt 90 prosent av gravitasjonen i universet vi ikke kan gjøre rede for.

Og da må vi se på alternativene til en oppdagelse i akselerator, forklarer Bringmann.

– Det ene er å oppdage mørk materie indirekte. Det vil si vi leter etter avfallet etter at to mørk materie-partikler har kollidert med hverandre et sted i vår galakse.

Dette er noe for eksempel romobservatoriet CTA prøver på.

Det finnes også en annen metode.

– En annen metode er å direkte påvise en kollisjon mellom en mørk materie-partikkel og en atomkjerne. Dette må gjennomføres med detektorer begravet dypt under jorda for å unngå forstyrrende stråling.

Bringmann mener det ikke bare handler om å oppdage mørk materie.

– Vi må jobbe med mørk materie selv om vi ikke finner ut akkurat hva det er. For vi har ikke noen garanti for en oppdagelse.

Ser på alle data

Med dette utgangspunktet ser mørk materie-gruppa ved Fysisk institutt ved UiO på hele bredden av mørk materie-forskning. De kombinerer forskning og data fra astrofysikk, astropartikkelfysikk og partikkelfysikk spesielt med tanke på mørk materie.

– Skal vi har noen meningsfulle hypoteser om mørk materie, så må vi ha noe vi kan sjekke. Det ville være fantastisk hvis vi oppdager den i en akselerator. Da ville vi ha noe veldig konkret å sjekke – noe konkret å prøve hypotesene mot. Hvis dette ikke skjer, må vi bruke det vi har.

Og det vi har er gravitasjon.

– Det er jo slik vi kjenner til at mørk materie eksisterer: Det at den har gravitasjon eller påvirker gravitasjonen. Vi vet også noe om spredningen av mørk materie i universet. Hypotesene og teoriene vi utvikler må på en eller annen måte kunne sjekkes opp mot disse dataene.

Og skal teoriene om mørk materie bli best mulig må de ha mer og bedre data. Og den leter de etter i flere store eksperimenter.

Gruppa skal spesielt se på data fra satellitten Euclid, CTA- observatoriet og partikkelakseleratoren LHC.

– Euclid tar bilder av universet og ser etter mørk materie i den kosmiske bakgrunnsstrålingen og CTA skal se etter avfall av mørk materie-kollisjoner. Samtidig fortsetterletingen etter mørk materie ved LHC.

– Vi skrinlegger ikke mørk materie-forskningen selv om man ikke finner noe ved LHC, sier Bringmann.

Se filmen «Mysteriet mørk materie» fra Fysisk institutt ved UiO: