I går blev resultaterne fra et stort partikeleksperiment frigivet via live broadcasting – astrofysikere og astronomer verden over holdt vejret, for indikationerne for, at vi havde fundet mørkt stof, var mange. Mørkt stof udgør omkring 27 procent af universets samlede energi og langt størstedelen af universets masse, men er indtil videre aldrig blevet påvist gennem direkte målinger på jorden.
I et helt nyt eksperiment i en partikeldetektor af hidtil usammenlignelig præcision har fysikere i 60 dage målt signaler ud fra en model for mørkt stof, som de seneste år har vundet stor opbakning. Modellen falder inden for teorien om supersymmetri, som omkring 95 procent af det videnskabelige samfund på området har brugt som arbejdsmodel de seneste par år, beretter professor Steen H. Hansen fra grundforskningscentret DARK Cosmology Centre ved Niels Bohr Instituttet på Københavns Universitet. Han fulgte selv spændt med i live-transmissionen i går.
»Supersymmetrien er en meget smuk model, som løser mange problemer ved standardmodellen,« fortæller han, »Folk har håbet, at hvis der skulle komme ny fysik, så var det den.«
Men så let skulle det ikke gå. Det har været et skuffet suk, der gik gennem de videnskabelige gange, da resultaterne blev præsenteret i går aftes: Der var ikke tale om mørkt stof. Tilbage til tegnebordet.
DAMA blev ved med at levere
Allerede i 1999 fandt et italiensk forskerhold i et eksperiment ved navn DAMA indikationer på mørkt stof, og siden da har de publiceret nye, lignende resultater igen og igen med stigende præcision. Andre har forsøgt at finde fejl ved resultaterne, men uden held.
I den type partikeldetektor, som DAMA-eksperimentet benytter sig af, leder man efter bittesmå temperaturforøgelser, som skal opstå, når en mørkt stof-partikel passerer gennem detektoren. DAMA-fysikerne var de første til at vise små variationer i temperaturen, som stemte overens med de variationer, man ville forvente som konsekvens af Jordens bevægelse rundt om Solen sammenholdt med Solens bevægelse i Mælkevejen.
Steen H. Hansen sammenligner det med, at du kører på en cykel og samtidig svinger en yoyo rundt om dig. Når yoyo’en flyver med din køreretning, vil den bevæge sig en lillebittebitte smule hurtigere, end når den flyver mod køreretningen.
»Det helt store, der skete, var i 2008, da de fik installeret en ny detektor, og den gav meget bedre resultater, for den var større og mere præcis. Stadig fandt de det samme,« siger Steen H. Hansen.
Ekstremt svært at frasortere ‘støj’
Med tiden blev DAMA-resultaterne bekræftet af opfølgende, uafhængige eksperimenter, som benyttede sig af andre målemetoder, såsom ladningsdetektorer og lysmåling. De så alle en eller anden form for signal, som kunne indikere mørkt stof, og det begyndte at blive svært at forestille sig, at der skulle være tale om tilfældigheder.
»Hvis der var tale om mørkt stof, så skulle det give sig udslag med alle tre målemetoder. Det spændende var, at det var der tegn på, at det gjorde,« siger Steen H. Hansen.
Men der er store usikkerheder, når man laver målinger i en partikeldetektor. For eksempel placerer man ofte måleinstrumenterne langt nede under jorden i et bjerg for at undgå påvirkningen af kosmiske stråler. I stedet er man nødt til at tage højde for smeltevand, som giver varierende vandstand inde i bjerget, og som med henfaldet af de radioaktive partikler, der følger med vandet, kan påvirke målingerne.
Selvom det er ganske, ganske lidt, kan det være nok til at forstyrre resultaterne. Desuden er det ekstremt svært at isolere, hvad der sker inde i detektoren fra, hvad der sker lige på kanten af detektoren og må betragtes som ‘støj’.
LUX gav høje forventninger
Jeg har ikke selv arbejdet med denne model, men jeg sad da også og holdt vejret og var rimelig skuffet, da jeg så grafen, og der bare ikke var noget som helst.
Steen H. Hansen
Derfor var det en stor begivenhed, da eksperimentet LUX ved Sanford Underground Research Facility blev lanceret. Her var tale om en meget stor detektor, som med stor sikkerhed kunne måle, hvor i detektoren et signal stammede fra, altså om det var indeni eller lige ved kanten. Derudover kunne den kombinere to af målemetoderne – lysopsamling og ladningshenfald – og endda med nye, forbedrede teknikker, som gjorde den endnu mere præcis. Her var smeltevand ikke engang en faktor grundet laboratoriets placering, som gør det nemt at tage højde for denne fejlkilde.
Forskerne fjernede desuden målinger fra den yderste 2/3-del af detektoren for at være stensikre på, at deres resultater ikke var påvirkede af ’støj’ fra detektorens overflade. Alt i alt var der rigtig gode muligheder for at opnå nogle meget præcise målinger.
Dernæst lavede de en forudsigelse for, hvad de skulle se af events – altså udslag i lys og ladningshenfald – i den midterste del af detektoren, hvis hypotesen for mørkt stof skulle holde stik. De lavede også en tese for, hvor meget baggrundsstøj der ville være.
Forskerne regnede sig frem til, at de skulle se 1.500 events, for at der var tale om mørkt stof. De så 10.
Supersymmetrien tog et hårdt slag
Beregningerne for baggrundsstøjen i LUX viste sig til gengæld at være meget præcise, og det er for Steen H. Hansen en understregning af, at målingerne i sig selv er pålidelige. Der var simpelthen bare ikke tale om mørkt stof.
»I mine øjne er der tale om et meget klart resultat, der betyder, at de andre detektorer har været for små og ikke har kunnet diskriminere nok for baggrundsstøjen. Det var meget usandsynligt, at så mange forskellige baggrunde skulle have snydt, men det er altså, hvad vi må konstatere, er sket,« siger han og tilføjer:
»Jeg har ikke selv arbejdet med denne model, men jeg sad da også og holdt vejret og var rimelig skuffet, da jeg så grafen, og der bare ikke var noget som helst.«
Selv arbejder Steen H. Hansen med en anden model for mørkt stof, som omhandler såkaldte ’sterile neutrinoer’. På en måde er de nye resultater en opbakning af den teori, han arbejder med, for hvis den er korrekt, skulle eksperimentet i går nemlig vise, lige nøjagtig hvad det gjorde: absolut ingenting.
Tilbage til tegnebordet
Der findes i omegnen af 743 kandidater for mørkt stof. Ifølge Steen H. Hansen er tre af dem rigtig gode. I går blev den ene af dem fejet af bordet.
De to andre – ‘sterile neutrinoer’ og ‘axioner’ – er begge meget velfunderede og kunne sagtens eksistere, fortæller han. Han var selv med til at opdage, hvordan den sterile neutrino skulle kunne måles, og han tror på, at om 10 år har vi fået be- eller afkræftet, om den er mørkt stof, eller om den ikke er.
På den måde betyder de nye resultater ikke så meget andet for Steen H. Hansen, end at han er blevet bekræftet i sit arbejde. Sandsynligheden for, at den sterile neutrino vitterligt ér mørkt stof, er lige blevet en lille smule større.
For rigtig mange andre forskere betyder det til gengæld, at mange års arbejde har været nyttesløst. For alle os andre betyder det blot, at det mystiske mørke stof stadig er mystisk.
