Fysikken er i gang med et opgør med gamle paradigmer. Indtil videre har standardmodellen givet den bedste forklaring på, hvad universet er bygget af, men i de seneste år er det begyndt at stå fysikerne klart, at standardmodellen ikke indeholder svaret på alt.
Et af de uløste spørgsmål er, hvad det mystiske mørke stof, som udgør mere end 20 procent af universets samlede masse, består af.
»Finder vi mørkt stof vil det være et stort skridt for at komme ud over standardmodellen for partikelfysik. Men mere vigtigt, så vil det virkelig give os en idé om, hvad det mørke stofs natur er,« siger professor Manuel Aguilar-Benitez, der er en af de ledende fysikere ved CERN’s rumeventyr, AMS-eksperimentet.
En partikeldetektor i rummet
Siden 2011 har partikeldetektoren AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) kredset rundt om vores blå planet i 370 kilometers højde som et led i det internationale samarbejde, AMS, der søger efter svaret på, hvad det mystiske mørke stof, som udgør mere end 20 procent af universets samlede masse, består af.
Monteret på ydersiden af den internationale rumstation, ISS, registrerer AMS-02 de tusindevis af kosmiske stråler, som farer igennem detektoren.
Nogle af de kosmiske stråler består af positroner, antistoffet til elektronen, og det er disse antipartikler, som fysikerne ved AMS-eksperimentet er interesseret i.
Positroner kan opstå af sammenstødet mellem mørkt stof
\ Fakta
Standardmodellen er en matematisk ramme, som beskriver de 16 fundamentale partikler (17 efter opdagelsen af Higgs-partiklen) der er bærere af tre af de fire naturkræfter: elektromagnetismen, den svage kernekraft og den stærke kernekraft. Standardmodellen er den mest anvendte teori inden for partikelfysikken, da den hidtil har givet det mest præcise billede af virkeligheden. Standardmodellen er dog ikke komplet, og den kan som nævnt ikke forklare, hvad mørkt stof er. Derfor er flere fysikere begyndt at lede efter svar, der går ud over standardmodellen.
I marts 2013 kunne de så fremlægge de første resultater baseret på data fra 400.000 positron-målinger. Resultaterne vakte opsigt, fordi de dokumenterede, at der tilsyneladende var en overflod af positroner med en masse op til omkring 250 GeV (gigaelektronvolt), hvorefter antallet så ud til at falde igen.
LÆS OGSÅ: Mørkt stof muligvis fundet i sofistikeret rumeksperiment
»Og det fænomen er indtil videre ikke forklaret. Men positronerne må komme fra et eller andet i rummet, « siger Manuel Aguilar-Benitez.
Og det, som målingerne kunne tyde på, er, at der findes en ukendt partikel med en masse omkring 250-300 GeV, som udsender antipartiklerne, når den eksploderer i en kollision med en identisk partikel. Teorien er, at disse ukendte partikler udgør mørkt stof.
Pulserende stjerner kan også udsende positroner
Men selvom resultaterne pegede på et nyt fysisk fænomen, kan der også være tale om en anden forklaring på positronernes oprindelse.
»Problemet er, at vi ikke rigtig kan skelne mellem, om positronerne kommer fra sammenstødende mellem mørkt stof, eller om de kommer fra en anden kilde,« siger Manuel Aguilar-Benitez.
Den anden kilde kunne være såkaldte pulsarer – stærkt magnetiserede neutronstjerner, der roterer, mens de udsender en stråle af elektromagnetisk stråling, som kun er synlig, når strålen peger mod Jorden (hvilket give pulsarerne en hvis lighed med fyrtårne).
De pulserende stjerner udsender også positroner, og i teorien skulle det være forholdsvist simpelt at afgøre, om antipartiklerne, som AMS-02 har observeret med en masse omkring 250 GeV, kommer fra stjernerne eller mørkt stof. Man behøver blot at se på, hvilken retning positronerne har, når de rammer detektoren, forklarer Manuel Aguilar-Benitez.
Magnetfelter komplicerer eksperimentet
For pulsarer er fikserede punkter i rummet, mens mørkt stof menes at være uniformt fordelt over det hele. Derfor burde positroner fra pulsarer altid have en bestemt retning, mens positroner fra kollisioner mellem mørkt stof vil komme fra alle steder.
Men så simpelt er det bare ikke, forklarer Manuel Aguilar-Benitez:
»Galaktiske magnetfelter kan påvirke partiklens ankomstretning, og det kan mindre magnetfelter også. Så både det og baggrundsstrålingen må man tage højde for, og det er svært – men vi arbejder på det.«
LHC har allerede gennemsøgt energiområdet
Troels C. Petersen er lektor i fysik ved Niels Bohr Instituttet og har været tilknyttet ATLAS-eksperimentet ved CERN i snart ni år.
\ Fakta
Positronen er elektronens modstykke – en såkaldt antipartikel. De to partikler har samme masse, men deres ladning er helt forskellig. Elektronen er negativ, mens positronen er positiv. Så selvom de to partikler synes identiske, så opfører de sig helt forskelligt. Skød man for eksempel et eksemplar af hvert partikel mod en magnet, ville de afbøjes til hver sin retning. Det er faktisk efter samme princip, at fysikerne fra AMS-eksperimentet skelner mellem stof og antistof i deres forsøg.
Mens AMS-gruppen leder efter tegn på partikelsammenstød mellem stjernerne, nærstuderer Troels C. Petersen sammenstød mellem protoner i den 27 kilometer lange underjordiske partikelaccelerator, LHC.
Han forholder sig åben over for resultaterne fra AMS-02 detektoren, men der er bare ét problem.
»Indtil videre har vi ikke set nogen partikler ved den energi i vores forsøg, og derfor har vi mere eller mindre udelukket det område,« siger Troels C. Petersen.
Mørkt stof kan måske ikke måles i LHC
Men, medgiver han, det er ikke ensbetydende med, at en ukendt partikel i det energiområde ikke findes. Man ved nærmest intet om, hvordan mørkt stof vekselvirker med sine omgivelser, og måske er det universet, som spiller LHC-fysikerne et puds.
»Det kan jo godt være, at der er noget tricky ved det, og at de her mørkt stof-partikler ikke vekselvirker med noget i protonen,« forklarer Troels C. Petersen.
»Så jeg kan love dig for, at hvis AMS finder tegn på sådan en partikel, så kigger vi ekstra grundigt i det område,« siger han.
Men det bliver ikke lige forløbig, at de finder svaret ved LHC, for partikelacceleratoren er lukket ned for at blive opgraderet. I 2015 starter den op igen – denne gang ved fuld styrke.
LÆS OGSÅ: CERN skruer op for energien i jagten på ny fysik
Større fund end Higgs-bosonen
Imens fortsætter AMS-eksperimentet med at udbygge sine data over elektroner og positroner i rummet. Eksperimentet er fastlagt til at fortsætte 20 år endnu, så der kan godt gå lang tid, inden vi får løsningen på gåden om mørkt stof.
Professor Manuel Aguilar-Benitez er overbevist om, at det ikke vil tage så lang tid, men han vil tør ikke give et bud på, hvilken løsning AMS-eksperimentet ender med at afsløre. Han har bare et ønske:
»Jeg ønsker, at det bliver mørkt stof, vi finder. Men det er kun et ønske. Pulsarer er forholdsvist studerede objekter, men vi ved intet om mørkt stof, og derfor vil det være en stor opdagelse.«
Ifølge den spanske fysiker, vil det være en opdagelse, der overgår fundet af Higgs-bosonen.
»For mig ville det være endnu større,« siger Manuel Aguilar-Benitez.
