Danske forskere vil jagte mørkt stof på en helt ny måde

Du kan hverken se, føle eller måle det – men det findes formentlig i din stue, din baghave og overalt i resten af universet.

Hvis forskerne har ret i deres beregninger, så består en stor del af universet nemlig af mørkt stof – en mystisk form for ’materiale’, som har fået sit dunkle navn, fordi ingen rigtig ved, hvad det er.

Nu foreslår to forskere fra Syddansk Universitet, at vi skal forsøge at fravriste mørkt stof sine hemmeligheder ved at jagte det på en helt ny måde.

»Normalt forsøger man at fange mørkt stof dybt nede under jorden. Men vi har regnet ud, at hvis mørkt stof opfører sig på en bestemt måde, så vil man aldrig kunne detektere det dernede. I stedet foreslår vi, at man skal prøve at lede efter mørkt stof ved Jordens overflade,« forklarer lektor Chris Kouvaris fra Institut for Fysik, Kemi og Farmaci på Syddansk Universitet (SDU).

Sammen med sin kollega Ian Shoemaker har han for nyligt fremlagt sit forslag i en videnskabelig artikel på onlinetjenesten arXiv.org.

Hvad er mørkt stof?

Før vi går videre med de to SDU-forskeres nye forskning, skal vi lige have lidt baggrundsviden på plads om det mystiske mørke stof. (Hvis du i forvejen ved alt om mørkt stof, kan du med fordel springe ned til "Findes mørkt stof dybt under jorden?")

Du har formentlig lært i skolen, at alt omkring os – stjerner, planeter, træer, huse, dyr, mennesker – er opbygget af forskellige grundstoffer.

Disse stoffer kan vi se, måle, veje og indfange, og de er groft sagt til at tage og føle på. Men ifølge forskernes teorier udgør den slags ’normale stoffer’ kun omkring 5 procent af universet, mens hele 27 procent af universet består af mørkt stof. (Forskerne mener, at resten af universet udgøres af mørk energi – læs mere i faktaboksen længere nede i artiklen).

Ingen har fanget mørkt stof

Ingen har hidtil været i stand til med sikkerhed at indfange eller detektere mørkt stof, men forskerne bygger deres teorier om mørkt stof på observationer af stjerner, galakser og galaksehobe.

Teorien lyder, at det mørke stof holder sammen på galakserne – som en slags kosmisk lim.

Tyngdekraften fra massen (vægten) af det stof, som man kan se i galakserne, er nemlig slet ikke nok til at holde stjernerne på plads, forklarer Ole Høst, som forsker i mørkt stof ved Københavns Universitet.

»Teorierne om mørkt stof bygger på mange forskellige observationer, hvor der er mere tyngdekraft, end den masse vi kan se. Ligningen går simpelthen ikke op, når man kun ser på, hvad der er til rådighed af normalt stof i galakserne,« forklarer Ole Høst, som er postdoc ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Sådan jager forskerne mørkt stof

For at få fastslået hvad mørkt stof er for en størrelse, har forskerne i årevis forsøgt at indfange mørkt stof-partikler.

Igennem tiden har jagten på det mørke stof foregået med måleapparater, som er blevet opstillet dybt nede under jorden, sendt ud i rummet med satellitter, og nogle er sågar blevet sendt op med luftballoner.

»Ingen ved, hvordan mørkt stof-partikler opfører sig – vi ved ikke engang, om det er partikler. Men alt afhængig af, hvordan man forestiller sig, at mørkt stof opfører sig, forsøger man at designe eksperimenter, som vil kunne detektere bestemte typer af mørkt stof,« forklarer Ole Høst.

Findes mørkt stof dybt under jorden?

I øjeblikket foregår jagten på mørkt stof i høj grad dybt nede under Jordens overflade. Her er det forskernes antagelse, at mørkt stof har den egenskab, at det stort set ikke påvirkes og ramler ind i almindeligt stof – at det med andre ord er svagt vekselvirkende med ’almindeligt’ stof, forklarer Chris Kouvaris.

»De fleste mørkt stof-eksperimenter foregår omkring 1,6 kilometers dybde under Jorden. Det er virkelig dybt nede, så mørkt stof skal rejse langt ned, før den rammer detektoren,« siger Chris Kouvaris fra Syddansk Universitet.

Fordelen ved at jagte mørkt stof dybt nede under jorden er, at målingerne bliver mindre forstyrrede af støj fra den kosmiske stråling - partikler med høj energi, der rammer Jorden fra verdensrummet.

»Hvis vi forestiller os, at mørkt stof er svagt vekselvirkende, vil det kun give et meget svagt signal i en detektor. Derfor kan det let blive overdøvet eller forurenet af andre signaler fra radioaktivt henfald og fra kosmisk stråling. Det sidste kan man minimere ved at gå dybt ned under Jorden,« forklarer Ole Høst.

En 'blind plet' i forskernes jagt på mørkt stof

Der er altså fornuftige grunde til jagte det mørke stof dybt nede under Jorden, men i den nye undersøgelse påpeger de to SDU-forskere, at hvis mørkt stof opfører sig på en bestemt måde – og ikke er svagt vekselvirkende - så vil det aldrig blive opfanget dybt nede under Jorden; det vil simpelthen blive bremset på sin vej ned gennem jorden.

»Hvis mørkt stof har nogle bestemte egenskaber, kan det blive bremset på sin vej ned gennem Jorden, fordi det interagerer med atomerne i Jorden.«

»På den måde mister det mørke stof sin energi efterhånden, som det rejser ned gennem Jorden. Det kan betyde, at når det møder detektoren, så har det mørke stof ikke nok energi til at efterlade et signal i detektoren,« fortæller Chris Kouvaris.

Med andre ord påpeger Chris Kouvaris altså, at der er en »blind plet« i de forsøg og instrumenter, som vi på nuværende tidspunkt forsøger at detektere det mørke stof med.

»Man kan sige, at hvis der er en verden af muligheder for, hvor mørkt stof kan gemme sig, så vil der være et mørkt hjørne, hvor vi slet ikke leder det,« forklarer Chris Kouvaris.

Forsker: Relevant at påpege 'hul' i eftersøgning af mørkt stof

Denne påstand er Ole Høst fra Københavns Universitet enig i.

»Det er rigtigt, at der potentielt set kan eksistere mørkt stof, som ikke vil kunne spores i de typiske eksperimenter for mørkt stof. I artiklen foreslår de (SDU-forskerne, red.) nogle bestemte scenarier, hvor mørkt stof ikke opfører sig sådan, som man antager i standardscenarierne – de ser på, hvad der sker, hvis det har en stærkere vekselvirkning, end man ellers antager.«

»Man kan jo sige, at alle modeller for mørkt stof er postulerede, og derfor er den ene model ikke nødvendigvis mere berettiget end andre. Derfor er deres antagelser også relevante,« mener Ole Høst.

Sådan vil SDU-forskerne jage mørkt stof

I den nye undersøgelse foreslår forskerne derfor, at der skal opstilles et eksperiment, som kan forsøge at afdække den ’blinde plet’ i vores jagt på mørkt stof – altså et eksperiment, som vil kunne opfange en mørk stof-partikel, hvis den opfører sig, sådan som de antager.

»Med denne her teknik skal detektoren opstilles på jordens overflade eller højst 10 meter nede under jorden. Det bedste sted at opstille detektoren er på den sydlige halvkugle. New Zealand, Argentina eller Chile ligger mere eller mindre alle sammen omkring den optimale breddegrad,« siger Chris Kouvaris.

Ideen bag forslaget er ikke, at eksperimentet skal opfange og detektere en enkelt mørkt stof partikel ad gangen – derimod skal man lede efter et mønster, som alle mørkt stof-partikler aftegner i målingerne i løbet af døgnet.

På den måde vil det nemlig ikke være et problem, at man ikke kan ’frasortere’ den kosmiske stråling og anden støj fra målingerne, lyder det fra Chris Kouvaris.

»Ideen er, at målingerne af mørkt stof vil gå op og ned i løbet af et døgn, fordi Jorden roterer om sig selv. Samtidig roterer Jorden om Solen, og hvis man kigger på målingerne over en længere periode, vil man kunne se et mønster i målingerne, som vil blive gentaget,« forklarer Chris Kouvaris.

Mønster skal afsløre mørkt stof

SDU-forskernes teori lyder, at når Jorden roterer, vil der være visse tider af døgnet, hvor Jorden så at sige vil skygge for det mørke stof, så det ikke rammer eksperimentets detektor.

»Alt afhængigt af, hvilken breddegrad på Jorden, en detektor er opstillet, vil der være et bestemt tidspunkt i løbet af dagen, hvor størstedelen af de mørke stof-partikler forsøger at nå detektoren fra oven. På grund af Jordens rotation vil der gå 12 timer, før størstedelen af de mørke stof-partikler vil forsøge at nå detektoren nedefra.«

»Hvis mørkt stof-partikler ikke kan trænge ind igennem Jorden, vil de opadgående partikler imidlertid aldrig nå detektoren, mens nedadgående partikler ikke vil have det samme problem, fordi detektoren er på overfladen eller i lav dybde. Det skaber det daglige udsving i signalet,« fortæller Chris Kouvaris.

Med andre ord lyder forslaget altså, at vi skal forsøge at bevise eksistensen af mørkt stof ved at vise, at de mørke stof-partikler over en længere periode rammer Jorden i bestemte, gentagne mønstre, som varierer med 12 timers mellemrum.

Langt fra sikkert, at metoden virker

Chris Kouvaris understreger, at det langt fra er sikkert, at man vil kunne opsnappe mørkt stof med hans metode.

Som tidligere nævnt forudsætter eksperimentet nemlig, at mørkt stof opfører sig på en bestemt måde – hvis ikke, så vil eksperimentet nemlig ikke kunne opfange partiklerne

»Men så er vi stadig blevet klogere, fordi så kan vi udelukke, at mørkt stof opfører sig sådan,« mener Chris Kouvaris.

På Københavns Universitet er Ole Høst imidlertid ikke så sikker på, at man kan jagte mørkt stof med den metode, som SDU-forskerne foreslår.

»Det, man kan indvende imod deres forslag, er, at der er en grund til, at andre eksperimenter foregår dybt under jorden – man skal stadig have elimineret støjen fra målingerne af mørkt stof. Det redegør de ikke for, hvordan de vil kunne gøre.«

»Man vil selvfølgelig kunne håbe på, at støjen i målingerne ikke har den samme 12-timers variation som det mørke stof, men det kan man ikke vide. Vi ved for eksempel, at der er en lille variation i den kosmiske stråling i løbet af døgnet,« fortæller Ole Høst og tilføjer:

»Samtidig vil jeg umiddelbart også tro, at der er så meget baggrundstråling på overfladen af Jorden, at selvom der var et signal fra mørkt stof, som var forskudt med 12 timer, så ville det stadig være så lille, at man statistisk set ikke ville kunne skelne det fra baggrundsstrålingen. Det gætter jeg i hvert fald på.«

Uanset hvad, så er både Ole Høst og Chris Kouvaris imidlertid enige om, at den nye undersøgelse viser, at der er et hul i eftersøgningen efter mørkt stof. Men hvordan, hvor - og om - vi finder frem til mørkt stof, det må fremtidens eksperimenter vise.