Xenon1T: Enorm detektor er klar til at fange mørkt stof
Dybt inde i et italiensk bjerg er en kæmpemæssig detektor ved navn Xenon1T netop blevet indviet. Detektoren skal hjælpe fysikerne med at finde spor efter det mystiske mørke stof.

Xenon1T er placeret i en grotte, der måler 100 x 20 x 18 meter. Plakaten på den store vandtank viser indholdet - selve detektoren sidder inde i midten af tanken. Den gennemsigtige bygning ved siden af rummer blandt andet kølesystemet. (Foto: The Xenon Collaboration)

Xenon1T er placeret i en grotte, der måler 100 x 20 x 18 meter. Plakaten på den store vandtank viser indholdet - selve detektoren sidder inde i midten af tanken. Den gennemsigtige bygning ved siden af rummer blandt andet kølesystemet. (Foto: The Xenon Collaboration)

Under 1.400 meter klippe, dybt nede i bjergmassivet Gran Sasso midt i Italien, har fysikere placeret en meterstor termokande med 3,3 ton iskold, flydende xenon midt i en vandtank, der er 10 meter høj og 9,6 meter i diameter.

Den underjordiske installation er en detektor, der skal fange spor efter mørkt stof. Dette mystiske stof, som vi ikke kan se, men som astronomerne er sikre på findes i rigelige mængder i universet, er uhyre vanskeligt at spore, men med den nye detektor - den suverænt mest følsomme i verden - burde det kunne lade sig gøre.

Fysikerne har netop indviet detektoren, der kaldes Xenon1T. Den efterfølger Xenon10 og Xenon100 - for hver generation er detektoren blevet 10 gange mere følsom.

Masser af mørkt stof derude

Det mørke stof påvirker almindeligt stof gennem tyngdekraften, og astronomerne kan se, at der må være masser af det - faktisk viser astronomiske observationer og beregninger, at der i universet er cirka 5,5 gange så meget mørkt stof som almindeligt, velkendt stof.

»Vi ved, hvor meget mørkt stof, der er i universet, og vi har også en god forståelse for, hvor meget mørkt stof der må være tæt på os her i vores galaktiske nabolag,« fortæller Steen H. Hansen, der er lektor på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, hvor han forsker i mørkt stof.

»Men vi ved endnu ikke, hvad det mørke stof egentlig er - hvad det er for partikler.«

Problemet med det mørke stof er, at vi ikke kan se det i teleskopet, for det udsender ikke nogen form for elektromagnetisk stråling, heller ikke lys - deraf navnet. Faktisk vekselvirker det næsten ikke med det almindelige, velkendte stof, og derfor er det mørke stof uhyre svært at indfange og blive klog på.

Lysglimt røber kollisioner

Fysikerne har dog nogle teorier for, hvad det mørke stof kan være. Den mest populære teori siger, at det mørke stof består af forholdsvis tunge elementarpartikler - såkaldte WIMPs (weakly interacting massive particles). Hvis det er tilfældet, vil der findes WIMPs overalt omkring os, og faktisk må der fare mange af dem lige igennem os hvert eneste sekund.

Fakta

120 forskere fra 24 forskellige lande arbejder på eksperimentet, der har deltagere fra 21 universiteter i USA, Italien, Tyskland, Schweiz, Portugal, Frankrig, Holland, Israel, Forenede Arabiske Emirater og Sverige.

Danske neutrinoforskere havde desværre ikke ressourcer til at deltage i dette eksperiment.

En sjælden gang imellem burde der ske en kollision mellem en WIMP og et almindeligt atom. Det er netop sådanne kollisioner, forskerne håber på at kunne se sporene efter i Xenon1T.

Ædelgassen xenon er blandt de stoffer, der lyser op, når de rammes af andre partikler, så ideen er at samle en masse xenon og kigge efter lysglimt, der røber, at et xenon-atom er blevet ramt af en mørkt stof-partikel.

I gasform fylder xenon godt op, så det er smartere at have grundstoffet i flydende form. Derfor bliver xenonen kølet ned til cirka minus 100 grader celsius, hvor det er flydende i den dobbeltvæggede stålbeholder, der holder på det.

248 ekstremt følsomme lysdetektorer er så klar til at måle de små lysglimt, der måtte komme fra xenonatomer, der bliver ramt af mørkt stof.

Støj skal sorteres fra

Det lyder simpelt nok, men problemet er, at kosmisk stråling eller naturlig radioaktivitet fra omgivelserne kan give lignende signaler.

Det er derfor, eksperimentet finder sted dybt inde i et bjerg, der beskytter mod baggrundsstrålingen. Og derfor er beholderen med xenon omgivet af rent vand til alle sider i håbet om, at vandet bremser størstedelen af den naturlige stråling. Mørkt stof trænger nemt igennem alting, så det er stort set kun mørkt stof, der kan komme helt ind til det flydende xenon.

Selvom detektoren nu er indviet, bliver den først rigtigt taget i drift til næste år, hvor de første videnskabelige resultater kan tænkes at dukke op. Med lidt held vil den første mørkt stof-partikel hurtigt dukke op.

»Hvis mørkt stof er den slags WIMPs, fysikerne forestiller sig, så burde Xenon1T kunne detektere dem,« siger Steen H. Hansen og fortsætter:

Her er teknikerne ved at lægge sidst hånd på detektoren, der nu er placeret i vandtanken. Detektoren rummer 3,3 ton flydende xenon nedkølet til cirka 100 minusgrader. I tanken er detektoren placeret i en 'termokande' af rustfrit stål. (Foto: The Xenon Collaboration)

»WIMPs er dog et lidt bredt begreb, der dækker alle slags svagt vekselvirkende, massive partikler. Hvis mørkt stof-partikler vejer for meget eller vekselvirker endnu svagere, end fysikerne forestiller sig, så kan detektoren ikke måle dem. Men langt de fleste af modellerne - nok 90 procent af dem - forudsiger WIMPs, som Xenon1T bør kunne måle.«

Et nulresultat kan også bruges

Hvis der ikke dukker mørkt stof op i Xenon1T, kan fysikerne afvise en stor del af teorierne om, hvad mørkt stof er for en størrelse. Det vil så til gengæld give vind i sejlene for andre teorier for, hvilken slags partikler, det mørke stof må bestå af, fortæller Steen H. Hansen:

»Alle mulige grupper rundt omkring på universiteterne har deres egne kæpheste. Partikler kaldet sterile neutrinoer eller axioner, forskellige former for sammensatte partikler - alt muligt.«

»De fleste af disse partikler vekselvirker alt for svagt med almindeligt stof til, at det kan måles direkte. De vejer for lidt og afsætter for lidt energi i et sammenstød. Så hvis det mørke stof ikke er WIMPs, så har man kun de astronomiske observationer at understøtte sine teorier med.«

WIMPs er uhyre vanskelige at indfange, men alternativerne er altså endnu sværere at have med at gøre. WIMPs er dog stadig favoritten hos de fleste fysikere, som altså regner med, at der nok skal dukke signaler op i Xenon1T. Hvis det ikke sker, er de klar med planer om endnu mere følsomme detektorer.

Det tog under en måned at konstruere den store vandtank. Videoen viser, hvordan det gik for sig:

(Video: The Xenon Collaboration)

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om astronautens foto af polarlys, som du kan se herunder.