Mørkt stof skal afsløres af partikelbowling

Hvordan finder man noget, som er usynligt?

Det spørgsmål har drillet forskere i årtier. For næsten 100 år siden fik de første fysikere en fornemmelse af, at noget måtte holde sammen på alle galakserne.

For mig begyndte mysteriet i 2016, da jeg arbejdede på min ph..d.-afhandling ved Syddansk Universitet og senere som forsker i Sverige.

Her opdagede jeg, at forskere ikke kunne forklare, hvorfor galakserne bevæger sig, som de gør, ved at bruge den almindeligt kendte fysik, så der måtte noget nyt på banen.

Over årene er observationer og teorier blevet langt mere avancerede, og i dag er en udbredt teori blandt fysikerne, at det er det såkaldte mørke stof, der fungerer som en lim, der holder sammen på galakserne.

Den lim er tyngdekraften, og det virker ikke til at mørkt stof taler andet sprog end tyngdekraft-sprog, så den derigennem kan fungere som lim. Det udsender ikke lys og stråler heller ikke som for eksempel Solen eller uran gør det. Mørkt stof er simpelthen bare usynligt.

Mørkt stof og køleskabsmagneter

Desværre for os forskere lader det ikke til, at mørkt stof ønsker at blive opdaget på andre måder end indirekte – altså gennem at observere, hvordan galakser bevæger sig.

Det svarer lidt til, at man for eksempel heller ikke kan se magnetisme, men man i stedet kan måle den indirekte, ved at se hvordan køleskabsmagneter hænger fast på metaloverflader.

Desværre har forskere endnu ikke opdaget 'køleskabsmørkstof', der vil hænge fast på nogen overflade, og de må derfor arbejde videre for at komme på idéer til, hvordan man kan måle mørkt stof direkte, i et laboratorium.

Sådan en idé fik jeg sammen med mine europæiske forskerkollegaer, og i dag skal vores nye teori bruges til at hjælpe de eksperimentelle forskere, der bygger mørk stof-observatorier. Forskningen er accepteret i to videnskabelige tidsskrifter (artikel 1 og artikel 2).

En måling uden lineal eller vægt

Direkte måling af mørkt stof sker via såkaldte detektionseksperimenter, som er en slags observatorier her på Jorden.

Disse 'mørk stof-observatorier' fungerer en smule anderledes end almindelige teleskoper. I stedet for at indsamle lys fra fjerne galakser vil observatorierne i stedet måle bittesmå rekyler af partikler, der bliver ramt af en forbipasserende mørk stof-partikel.

Partiklerne er et såkaldt target, som er indsat af fysikerne selv. Flere af disse eksperimenter er i fuld gang lige nu, og håbet er at gøre en banebrydende opdagelse: at måle et sammenstød mellem en mørkt stof-partikel og et atom.

Vores nye ide var enkel: Vi undersøgte muligheden for at anvende et atomtyndt lag af kulstof, kaldet grafén, som target i et mørkt stof-observatorium. Fordi grafén er så tynd, ser det ud til at være et meget lovende materiale til påvisning af mørkt stof.

En mørk stof-partikel kan nemlig passere gennem grafén-laget og sparke en elektron ud i sammenstødet, som forskerne så kan indfange i deres observatorium.

Forskere kan nemlig ikke måle en mørk stof-partikel, netop fordi den er usynlig, men de kan måle en elektron, som er udstødt fra et grafén-lag direkte. En elektron er nemlig ikke usynlig i laboratoriet.

En bowlingkamp med mørkt stof og grafén

Selve eksperimentet, som vi har fundet på minder mest af alt om et spil bowling, hvor mørkt stof-partiklen er en (usynlig) bowlingkugle, og grafén-laget er de ti opstillede kegler.

Når bowlingkuglen rammer keglerne, skydes en eller flere kegler ud. De udskudte kegler svarer til elektroner, som forskerne så kan måle. Hvis forskerne måler et stærkt signal, betyder det, at mørkt stof har lavet en strike.

Observatoriet opbygges ved at have et tomt kammer, hvor man indsætter grafen som target. Rundt om dette target findes avanceret måleudstyr, som skal opfange enhver form for signal, der kommer fra target.

Mørkt stof er nemlig ikke det eneste, som kan trigge et signal. Vi bombarderes konstant med kosmisk stråling fra rummet, og den stråling vil også ramme target og derigennem trigge et signal.

For at løse netop dét problem er observatoriet gravet dybt ned i jorden, hvor kun meget lidt stråling fra rummet kan nå ned. Heldigvis kender vi kosmisk stråling i stor detaljegrad og derfor ved de præcis, hvilke signaler vi kan forvente derfra.

Det er derfor muligt at tage højde for disse kendte signaler og kunne zoome ind på de 'uventede' signaler – altså dem, der kan opstå, når mørkt stof slår til grafén-target og dermed udsender elektroner.

Signalets mønster ændres i løbet af et døgn

Hvor mange elektroner, der bliver udstødt efter sammenstød med mørkt stof-partikler, afhænger blandt andet af vinklen, hvormed de mørke partikler rammer grafén-pladen.

Jeg selv og mine forskerkollegaer mener, at mørkt stof bevæger sig på samme måde som et blæsevejr hen over Jorden, og derfor vil mørkt stof-partiklernes relative orientering ændre sig i løbet af dagen, efterhånden som Jorden og derfor også observatoriet roterer.

Vi kan med stor præcision holde styr på disse bevægelser. Den viden bruger vi til at forudsige, om et signal fra mørkt stof ville være stærkere eller svagere på bestemte tidspunkter af dagen. En sådan variation i løbet af en dag kaldes for en daglig signalmodulation.

En signalmodulation er en kraftig indikation på, at det faktisk er et mørkt stof-signal, der er blevet målt i observatoriet. Så ved at bruge grafén som target kan mørk stof forskere rent faktisk opnå en modulation.

Artiklen er udarbejdet i samarbejde med videnskabsformidler Majken Christensen.