Vildt eksperiment: Forskere vil lyse gennem en væg i jagten på mørkt stof

Mørkt stof.

Det er et af universets allerstørste gåder, hvis ikke det største.

Aldrig er det blevet set, fundet eller mærket, men forskere er enige om, at det må eksistere, hvis vores nuværende forståelse af fysikkens love skal have nogen som helst gang på jord.

Derfor er jagten på at forstå det mystiske fænomen intens. Det gælder også i Hamborg, nærmere forskningscenteret DESY, hvor eksperimentet ALPS II tidligere i år blev sat i gang med et specifikt formål:

At finde de såkaldte axioner.

»Axioner er en ny slags partikel, som vi endnu ikke er sikre på eksisterer, men som fysikere har leget med tanken om siden 1970’erne,« fortæller Manuel Meyer, der er lektor i fysik ved Syddansk Universitet, og som er med i eksperimentet i Hamborg.

Idéen om axioner blev oprindeligt udtænkt som en mulig forklaring på et andet problem: Det stærke CP-problem, der kort fortalt handler om, hvorfor små partikler kaldet kvarker ikke opfører sig på den måde, de ifølge vores forudsigelser bør gøre.

»Men det gik hurtigt op for fysikere, at hvis axioner eksisterer, kunne de også forklare et andet mystisk fænomen, nemlig mørkt stof,« fortsætter Manuel Meyer.

»Axioner menes at have meget lille effekt på de partikler, vi kender. Det gælder også lys, hvilket forklarer, hvorfor vi ikke kan se dem,« forklarer lektoren.

Så hvordan vil Manuel Meyer og hans kolleger i Hamborg bekræfte eksistensen af noget, som man hverken kan se, røre eller måle effekten af?

Kraftig laser og kraftige magnetfelter

Svaret indebærer en kraftig laser, to magnetfelter og en væg.

»Teorien er, at man kan lave lyspartikler om til axioner og vice versa lave axioner om til lys,« forklarer Manuel Meyer om deres eksperiment i Hamborg, der begyndte i maj 2023.

I eksperimentet bliver en kraftig laser sigtet mod en væg, men før laserlyset rammer væggen, vil det gå igennem et - også meget kraftigt - magnetfelt, der ifølge teorien kan lave lyspartiklerne fra laseren om til axioner.

Mens laserlyset vil blive stoppet af væggen, vil axioner gå direkte igennem den.

På den anden side af væggen vil axionerne passere gennem et andet magnetfelt, der atter kan lave dem om til lyspartikler, som man så kan måle.

»Hvis man således registrerer lys på den anden side af væggen, vil det sige, at lyset har rejst igennem væggen som axioner,« fortæller Manuel Meyer.

»På den måde vil vi have vist, at axioner eksisterer,« siger han.

Hvis det stadig virker en smule abstrakt, kan nedenstående video måske hjælpe:

Fysikeren tilføjer, at det er ekstremt farligt, og de bliver nødt til at have beskyttelsestøj på, når han og hans kolleger er omkring laseren.

»Målet er, at laseren skal op på 150.000 watt, og der vil den skyde hul gennem din hånd, hvis du stak den ind foran strålen,« siger Manuel Meyer og tilføjer, at en laser på bare 1 eller 2 watt er nok til at poppe balloner.

Én teori blandt mange

Hvis det lykkes Manuel Meyer og hans kolleger at finde axionet, er der en nobelpris i vente, lyder vurderingen fra Steen Harle Hansen, der er lektor på Niels Bohr Institutet, og som forsker i mørkt stof.

Men hvor stor sandsynligheden er for, at eksperimentet lykkedes, er ekstremt svært at spå om, siger han til Videnskab.dk:

»For tredive år siden troede 90 procent af alle fysikere, at forklaringen på mørkt stof var noget, der hedder supersymmetriske partikler, og dengang ville langt de færreste synes, at axioner og det her eksperiment var interessant,« fortæller han.

»Men efter lang tid uden resultater med supersymmetriske partikler, er man rykket videre til andre muligheder. Blandt andet teorien om axioner, og i dag er der flere hundrede forskere, der har dedikeret deres liv og karriere til at finde partiklen.«

Lektoren understreger, at axioner dog stadig kun er én kandidat til at være forklaringen på mørkt stof ud af mange andre teorier.

Nærmere bestemt vil Steen Harle Hansen mene, at »der er en håndfuld gode teorier, som forskerne tager seriøst, mens der formentlig er 1.000 andre teorier, som man tager knap så seriøst,« fortæller han og tilføjer, at hans favorit-teori omhandler såkaldte sterile neutrinoer, der er partikler, der ikke interagerer med andre kræfter end tyngdekraften.

»Der er eksperimentalister, der arbejder på alle mulige forskellige forklaringer på mørkt stof, og det er også godt. Det ville være dumt at satse alle vores penge på én mulig forklaring,« siger Steen Harle Hansen.

»Og selv hvis det viser sig, at de ikke kan finde axioner, så kan vi begynde at krydse den teori af på listen og fokusere på andre eksperimenter. På den måde vil vi være et skridt nærmere på at finde ud af, hvad mørkt stof er.«

Kan betyde »grøn energi for evigt«

Finder fysikerne i Hamborg axionet, vil det betyde, at de har fundet en helt ny partikel, og det vil være en rimelig »big deal«, ifølge Manuel Meyer.

Udover at være en kandidat til at være mørkt stof, ville eksistensen af axioner også forklare en masse andre hidtil uafklarede fysiske spørgsmål, fortsætter lektoren:

»Axion er navnet på et rengøringsmiddel, og partiklerne blev givet det navn fordi de ville 'clean up’ teorien om, hvorfor kvarker opfører sig, som de gør, såvel som en lang række andre problemer, forskere kæmper med,« fortæller han til Videnskab.dk.

.

Eksistensen af axioner ville dog ikke automatisk betyde, at det også er hvad, vi kender som mørkt stof.

»Men det ville være det naturlige næste skridt at finde ud af,« siger Manuel Meyer.

Steen Harle Hansen fortæller, at opdagelsen af axionet ville gøre os klogere på noget så grundlæggende, som hvordan universet kan eksistere, som det gør.

»Man kan så også sige, at hvis vi fandt axioner, så ville det betyde, at de var over det hele i vores solsystem og rummede en stor mængde energi. Hvis vi så også fandt ud af, hvordan vi interagerer med partiklerne og kunne høste energien, ville det betyde, at vi ville have grøn energi for evigt,« siger Steen Harle Hansen i et meget tænkt scenarie.

Eksperimentet i Hamborg kører fortsat derudaf, men det kan tage noget tid, før forskerne får resultater, de kan bruge til noget. For selv hvis axioner eksisterer, og selv hvis man kan omdanne lys til axioner og vice versa, er sandsynligheden for, at det sker, utrolig lille.

Axel Lindner, projektets leder, beskriver muligheden for at lave en axion om til en foton som, at »slå med 33 terninger og have dem alle lande med samme resultat«.

Forskerne regner med at publicere deres første resultater i 2024.