Australske forskere gjør fremskritt mot å løse et av universets største mysterier: naturen til usynlig mørk materie.
ORGAN Experiment, Australias første store mørk materiedetektor, fullførte nylig et søk etter en hypotetisk partikkel kalt en aksion - en populær kandidat blant teorier som prøver å forklare mørk materie.
ORGAN har satt nye grenser for mulige egenskaper ved aksioner og dermed bidratt til å begrense søket etter dem. Men før vi går foran oss selv...
La oss starte med en historie
For rundt 14 milliarder år siden ble alle de små materiebitene – de grunnleggende partiklene som senere skulle bli deg, planeten og galaksen – komprimert til ett veldig tett, varmt område.
Så skjedde Big Bang og alt fløy fra hverandre. Partiklene ble kombinert til atomer, som til slutt klumpet seg sammen for å lage stjerner, som eksploderte og skapte all slags eksotisk materie.
Etter noen milliarder år kom Jorden, som til slutt kryp av små ting kalt mennesker. Kul historie, ikke sant? Det viser seg at det ikke er hele historien; det er ikke engang halvparten.
Mennesker, planeter, stjerner og galakser er alle laget av vanlig materie. Men vi vet at vanlig materie utgjør bare en sjettedel av all materie i universet.
Resten er laget av det vi kaller mørk materie. Navnet forteller deg nesten alt vi vet om det. Det avgir ikke lys (så vi kaller det mørkt), og det har masse (så vi kaller det materie).
Hvis det er usynlig, hvordan vet vi at det er der?
Når vi observerer hvordan ting beveger seg i rommet, finner vi gang på gang at vi ikke kan forklare våre observasjoner hvis vi bare vurderer det vi kan se.
Spinnende galakser er et godt eksempel. De fleste galakser spinner med hastigheter som ikke kan forklares av gravitasjonskraften fra synlig materie alene.
Så det må være mørk materie i disse galaksene, som gir ekstra gravitasjon og lar dem spinne raskere – uten at deler blir kastet ut i verdensrommet. Vi tror mørk materie bokstavelig talt holder galakser sammen.
Så det må være en enorm mengde mørk materie i universet, som trekker på alle tingene vi kan se. Det passerer gjennom deg også, som et slags kosmisk spøkelse. Du kan bare ikke føle det.
Hvordan kunne vi oppdage det?
Mange forskere tror mørk materie kan være sammensatt av hypotetiske partikler kalt aksioner. Aksjoner ble opprinnelig foreslått som en del av en løsning på et annet stort problem innen partikkelfysikk kalt det sterke CP-problemet (som vi kunne skrive en hel artikkel om).
Uansett, etter at aksionen ble foreslått, innså forskerne at partikkelen også kunne utgjøre mørk materie under visse forhold. Det er fordi aksioner forventes å ha svært svake interaksjoner med vanlig materie, men fortsatt ha en viss masse: de to betingelsene som trengs for mørk materie.
Så hvordan går du frem for å søke etter aksioner?
Vel, siden mørk materie antas å være rundt oss, kan vi bygge detektorer her på jorden. Og heldigvis forutsier teorien som forutsier aksioner også at aksioner kan omdannes til fotoner (lyspartikler) under de rette forholdene.
Dette er gode nyheter, fordi vi er gode til å oppdage fotoner. Og det er akkurat det ORGAN gjør. Den konstruerer de riktige forholdene for aksion-fotonkonvertering og ser etter svake fotonsignaler - små lysglimt generert av mørk materie som passerer gjennom detektoren.
Denne typen eksperiment kalles et aksion-haloskop og ble først foreslått i 1980s. Det er noen få i verden i dag, hver av dem er litt forskjellige på viktige måter.
Skinner et lys på mørk materie
En aksion antas å konvertere til et foton i nærvær av et sterkt magnetfelt. I et typisk haloskop genererer vi dette magnetfeltet ved hjelp av en stor elektromagnet kalt en superledende solenoid.
Inne i magnetfeltet plasserer vi ett eller flere hule kammer av metall, som er ment å fange fotonene og få dem til å sprette rundt på innsiden, noe som gjør dem lettere å oppdage.
Det er imidlertid en hikke. Alt som har en temperatur avgir hele tiden små tilfeldige lysglimt (det er grunnen til at varmekameraer fungerer). Disse tilfeldige utslippene, eller støyen, gjør det vanskeligere å oppdage de svake mørk materiesignalene vi leter etter.
For å omgå dette har vi plassert resonatoren vår i et fortynningskjøleskap. Dette fancy kjøleskapet avkjøler eksperimentet til kryogene temperaturer, omtrent -273 °C, noe som reduserer støyen betraktelig.
Jo kaldere eksperimentet er, jo bedre kan vi "lytte" etter svake fotoner produsert under konvertering av mørk materie.
Målretting mot masseregioner
En aksion av en viss masse vil konvertere til et foton med en viss frekvens, eller farge. Men siden massen av aksioner er ukjent, må eksperimenter målrette søket mot forskjellige regioner, med fokus på de der mørk materie anses som mer sannsynlig å eksistere.
Hvis det ikke blir funnet noe mørk materiesignal, er enten eksperimentet ikke følsomt nok til å høre signalet over støyen, eller det er ingen mørk materie i det tilsvarende aksionsmasseområdet.
Når dette skjer, setter vi en "ekskluderingsgrense" - som bare er en måte å si "vi fant ingen mørk materie i dette masseområdet, til dette følsomhetsnivået." Dette ber resten av forskermiljøet om mørk materie rette søkene sine andre steder.
ORGAN er det mest følsomme eksperimentet i sitt målrettede frekvensområde. Den siste kjøringen oppdaget ingen signaler om mørk materie. Dette resultatet har satt en viktig eksklusjonsgrense på de mulige egenskapene av aksioner.
Dette er den første fasen av en flerårsplan for å søke etter aksioner. Vi forbereder for øyeblikket det neste eksperimentet, som vil være mer følsomt og målrette mot et nytt, ennå uutforsket masseområde.
Men hvorfor betyr mørk materie noe?
Vel, for det første vet vi fra historien at når vi investerer i grunnleggende fysikk, ender vi opp med å utvikle viktige teknologier. For eksempel er all moderne databehandling avhengig av vår forståelse av kvantemekanikk.
Vi ville aldri ha oppdaget elektrisitet, eller radiobølger, hvis vi ikke forfulgte ting som på den tiden så ut til å være rare fysiske fenomener utenfor vår forståelse. Mørk materie er den samme.
Tenk på alt mennesker har oppnådd ved å forstå bare en sjettedel av materien i universet – og forestill deg hva vi kunne gjøre hvis vi låste opp resten.
Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.
Bilde Credit: Illustris-samarbeid
