I mere end 70 år har fysikere påstået, at universet rummer store mængder mørkt stof – en mystisk substans, der ikke udsender stråling og som stort set kun påvirker sine omgivelser via tyngdekraften.
Siden har man jagtet det mørke stof i alle egne af verdensrummet, men alligevel er det kun lykkedes at finde inddirekte beviser for det mørke stofs eksistens blandt andet ud fra studier af universets struktur og galaksers opførsel.
Nu ser det imidlertid ud til, at man har fået et gennembrud i sagen. I hvert fald har detektorer, der er placeret i en mine under skovene i det amerikanske Minnesota, opfanget to markante signaler, der svarer til dem, man forventer fra mørkt stof-partikler.
Eksperimentet bærer navnet Cryogenic Dark Matter Search II (CMDS), og selv om resultaterne derfra endnu ikke er blåstemplede i form af videnskabelige artikler, så er de så opsigtsvækkende, at de netop er blevet omtalt på online-mediet Nature News.
Dansk begejstring
Også i Danmark tiltrækker resultaterne stor opmærksomhed, blandt andet fra lektor Steen H. Hansen og hans kollega postdoc Signe Riemer-Sørensen fra Dark Cosmology Centret, på Københavns Universitet.
»Hvis forskergruppen har ret, så er dette et kæmpe scoop – så er det helt genialt. Signalerne kan nemlig give os en indikation af, hvilken slags partikel det mørke stof består af,« siger han.
Det er Signe Riemer-Sørensen enig i. Og hun tilføjer:
»Det er et ualmindeligt spændende eksperiment, for det er uhyre vigtigt at finde det mørke stof, da det menes at udgøre omkring 80 procent af universets masse. I dag har vi styr på det almindelige stof, men det udgør kun ca. 20 procent af den samlede masse. Så hvis vi skal gøre os håb om at forstå universet okring os, kræver det, at vi også får fod på det mørke stof,« siger hun.
Supersymmetrisk partikel en oplagt kandidat
Den mest oplagte kandidat til at udgøre det mørke stof er de såkaldte WIMPS – en forkortelse af den engelske betegnelse for ‘svagt vekselvirkende massive partikler’. Disse partikler forudsiges af fysikernes teori om supersymmetri, som går ud på, at enhver elementarpartikel har en ukendt partner, der er tungere og har andre egenskaber, som f.eks. at de stort set ikke vekselvirker med almindeligt stof.
\ Fakta
VIDSTE DU
WIMPS er den letteste form for supersymmetriske partikler, og den eneste slags, der har en levetid svarende til universets. Tungere former for supersymmetriske partikler lever så kort tid, at de ikke vil kunne udgøre universets mørke stof.
WIMPS er ifølge teorien uhyre kompakte, og på grund af deres ekstremt lille udstrækning stryger de som regel igennem alting uden at afsætte nogen form for spor. En sjælden gang sker det dog, at en WIMPS støder ind i dens omgivelser, og det er netop denne påvirkning, som detektorerne i minen er designet til at kunne måle.
Når en partikel banker ind i en af detektorerne, afsætter den både energi i form af varme og elektrisk ladning. Energien sladrer om hvor tunge partiklerne er, mens antallet af registrerede partikler giver et fingerpeg om partiklernes størrelse. Tilsammen tegner disse oplysninger et billede af den detekterede partikel, altså om partiklen er af den almindelige slags eller om den er en mørkt stof-partikel.
Mørkt stof består af tunge kompakte partikler
Kigger man på de to signaler fra eksperimentet, så ser de umiddelbart ud til at stamme fra WIMPS, der vejer mellem 30 og 60 gange så meget som en enkelt proton.
»De to signaler har en størrelse og en energi, der svarer præcis til det man forventer at få af supersymmetriske partikler, så resultaterne passer imponerende godt med de forudsigelser, man har lavet,« siger Steen H. Hansen.
Men selv om resultaterne umiddelbart ser besnærende ud, så understreger forskerne bag eksperimentet, at man endnu ikke kan sige, at man har observeret mørkt stof. Det ville nemlig kræve mindst fem signaler og gruppen har som sagt kun fundet to. For at få sagen afgjort må forskerne gennemføre flere og længerevarende eksperimenter med mere fintfølende detektorer, der kan registrere flere mørkt stof-partikler.
Almindelige partikler laver støj
Jagten på mørkt stof-partiklerne er ingen nem sag, og på verdensplan er det da også kun ganske få forskergrupper, der har kastet sig ud i den krævende opgave. Af dem regnes CMDS-gruppen for at være klart den bedste og mest grundige, fortæller Steen H. Hansen og han pointerer, at »det er en helt fantastisk grundig analyse, de har lavet«.
Den amerikanske forskergruppe bag CDMSII har ledt efter det mørke stof siden 2003, og dens store udfordring har været at finde en måde at forhindre almindelige partikler i at ramle ind i detektorerne og drukne eventuelle signaler fra partikler af mørkt stof.
Ved at placere detektorerne i Soudan-minen knapt en kilometer under jordens overflade udnytter man, at det tykke jordlag over minen opsluger en del af de uønskede partikler. For at opnå yderligere beskyttelse har man pakket detektorerne ind i bly.
Derudover har man nedkølet detektorerne til hysterisk lave temperaturer tæt på det abslutte nulpunkt (-273,15 grader Celcius). Ved så lave temperaturer bliver atomerne i detektorernes krystaller holdt fast i et skruestik, så de er ude af stand til at svinge frem og tilbage og producere støj.
Jeg er ikke fortaler af modellen for supersymmetri og er derfor lidt ked af denne detektion. Jeg synes ikke, at supersymmetri er den smukkeste model i verden. Men jeg må sige, at disse resultater virker besnærende.
lektor Steen H. Hansen.
»Forskerne har gjort et kæmpe stort arbejde med at frasortere baggrunden. Andre grupper, der har lavet lignende eksperimenter, har langt fra været så grundige, og det kan forklare, hvorfor ingen af dem har fundet tilsvarende signaler,« fortæller han.
Men trods det store benarbejde er forskerne bag CMDS-eksperimentet stadig ikke fuldstændigt sikre på, om afskærmningen er tilstrækkeligt effektiv. Dermed kan de heller ikke helt udelukke, at signalerne er falske, og ikke er skabt af mørkt stof, men af indtrængende stofpartikler.
Flere forsøg er nødvendige
Således viser deres analyser, at der er 75 procents chance for, at begge signaler er WIMPS, mens der er 25 procents risiko for, at de er baggrundsstøj fra almindelige partikler. Forskerne understreger da også, at de kun har fundet et tegn på eller et hint om – og ikke et endegyldigt bevis på – det mørke stofs eksistens.
For at være helt sikre i deres sag skal forskerne gennemføre længerevarende eksperimenter med tungere detektorer.
»Detektorerne skal veje mere. Hvis denne detektor på otte kilo finder to events, så vil en detektor på 80 kilo kunne finde 20 events. Og for at kunne postulere en detektion af mørkt stof, skal de have fundet fem,« slutter han.
Et sådant eksperiment vil dog ikke være nok til at tilfredsstille Signe Riemer-Sørensen.
»CDMSII er et hamrende svært eksperiment, og hvis man skal kunne stole på udfaldet, skal man virkelig have styr på alt, hvad man har af baggrundspartikler. Og det er svært at vide, hvornår man har taget højde for det hele, og hvornår man kan stole 100 procent på resultatet,« siger hun.
Hun opfordrer derfor til, at man også forsøger at finde mørkt stof-partiklerne på en anden måde.
\ Mørkt stof i massevis
I kosmologi er mørkt stof hypotetiske subatomare partikler med en ukendt sammensætning. Det mørke stof blev postuleret i 1930erne af den schweitziske astronom Fritz Zwicky. Siden da har studier af universets struktur og den måde, hvorpå galakser roterer, bekræftet, at der må være en uset form for stof – ellers kan man ikke få universets forskellige regnskaber til at gå op. Det mørke stof vekselvirker ikke med elektromagnetisme, men med gravitation.
Kun ca. 4-5 procent af universets stof kan ses direkte. Det mørke stof regnes for at udgøre omkring 85 procent af universets masse, selv om dets identitet stadig er ukendt.
