Australiska forskare tar framsteg mot att lösa ett av universums största mysterier: naturen hos osynlig mörk materia.
ORGAN Experiment, Australiens första stora detektor för mörk materia, avslutade nyligen en sökning efter en hypotetisk partikel som kallas en axion - en populär kandidat bland teorier som försöker förklara mörk materia.
ORGAN har satt nya gränser för de möjliga egenskaperna hos axioner och därmed hjälpt till att begränsa sökningen efter dem. Men innan vi går före oss själva...
Låt oss börja med en berättelse
För ungefär 14 miljarder år sedan komprimerades alla små bitar av materia – de fundamentala partiklarna som senare skulle bli du, planeten och galaxen – till en mycket tät, varm region.
Sedan inträffade Big Bang och allt flög isär. Partiklarna förenades till atomer, som så småningom klumpade ihop sig och bildade stjärnor, som exploderade och skapade all sorts exotisk materia.
Efter några miljarder år kom jorden, som så småningom kröp av små saker som kallas människor. Cool story, eller hur? Det visar sig att det inte är hela historien; det är inte ens hälften.
Människor, planeter, stjärnor och galaxer är alla gjorda av vanlig materia. Men vi vet att vanlig materia bara utgör en sjättedel av all materia i universum.
Resten är gjord av vad vi kallar mörk materia. Dess namn berättar nästan allt vi vet om den. Det avger inte ljus (så vi kallar det mörkt), och det har massa (så vi kallar det materia).
Om det är osynligt, hur vet vi att det finns där?
När vi observerar hur saker rör sig i rymden, finner vi gång på gång att vi inte kan förklara våra observationer om vi bara tänker på vad vi kan se.
Spinnande galaxer är ett bra exempel. De flesta galaxer snurrar med hastigheter som inte kan förklaras av gravitationskraften från enbart synlig materia.
Så det måste finnas mörk materia i dessa galaxer, vilket ger extra gravitation och låter dem snurra snabbare – utan att delar kastas ut i rymden. Vi tror att mörk materia bokstavligen håller ihop galaxer.
Så det måste finnas en enorm mängd mörk materia i universum som drar på sig allt vi kan se. Det passerar genom dig också, som något slags kosmiskt spöke. Du kan bara inte känna det.
Hur kunde vi upptäcka det?
Många forskare tror att mörk materia kan bestå av hypotetiska partiklar som kallas axioner. Axioner föreslogs ursprungligen som en del av en lösning på ett annat stort problem inom partikelfysik som kallas det starka CP-problemet (som vi skulle kunna skriva en hel artikel om).
Hur som helst, efter att axionen föreslogs insåg forskare att partikeln också kunde utgöra mörk materia under vissa förhållanden. Det beror på att axioner förväntas ha mycket svaga interaktioner med vanlig materia, men ändå ha en viss massa: de två villkoren som behövs för mörk materia.
Så hur går du tillväga för att söka efter axioner?
Tja, eftersom mörk materia tros finnas överallt omkring oss, kan vi bygga detektorer här på jorden. Och lyckligtvis förutspår teorin som förutsäger axioner också att axioner kan omvandlas till fotoner (ljuspartiklar) under rätt förhållanden.
Detta är goda nyheter, eftersom vi är bra på att upptäcka fotoner. Och det är precis vad ORGAN gör. Den konstruerar de korrekta förhållandena för axion-fotonomvandling och letar efter svaga fotonsignaler - små ljusblixtar som genereras av mörk materia som passerar genom detektorn.
Denna typ av experiment kallas ett axionhaloskop och föreslogs först i 1980s. Det finns några i världen idag, var och en lite olika på viktiga sätt.
Lyser ett ljus på mörk materia
En axion tros omvandlas till en foton i närvaro av ett starkt magnetfält. I ett typiskt haloskop genererar vi detta magnetfält med hjälp av en stor elektromagnet som kallas en supraledande solenoid.
Inuti magnetfältet placerar vi en eller flera ihåliga kammare av metall, som är tänkta att fånga fotonerna och få dem att studsa runt inuti, vilket gör dem lättare att upptäcka.
Det finns dock en hicka. Allt som har en temperatur avger konstant små slumpmässiga ljusblixtar (det är därför värmekameror fungerar). Dessa slumpmässiga emissioner, eller brus, gör det svårare att upptäcka de svaga mörka materiasignalerna vi letar efter.
För att komma runt detta har vi placerat vår resonator i ett utspädningskylskåp. Detta tjusiga kylskåp kyler experimentet till kryogena temperaturer, cirka -273°C, vilket avsevärt minskar bruset.
Ju kallare experimentet är, desto bättre kan vi "lyssna" efter svaga fotoner som produceras under omvandling av mörk materia.
Inriktning på massregioner
En axion av en viss massa omvandlas till en foton med en viss frekvens eller färg. Men eftersom massan av axioner är okänd, måste experiment rikta sina sökningar till olika regioner, med fokus på de där mörk materia anses vara mer sannolikt att existera.
Om ingen mörk materia-signal hittas, är experimentet antingen inte tillräckligt känsligt för att höra signalen ovanför bruset, eller så finns det ingen mörk materia i motsvarande axionmassområde.
När detta händer sätter vi en "uteslutningsgräns" - vilket bara är ett sätt att säga "vi hittade ingen mörk materia i detta massintervall, till denna känslighetsnivå." Detta säger åt resten av forskarsamhället för mörk materia att rikta sina sökningar någon annanstans.
ORGAN är det mest känsliga experimentet i sitt riktade frekvensområde. Dess senaste körning upptäckte inga signaler om mörk materia. Detta resultat har satt en viktig uteslutningsgräns för de möjliga egenskaperna av axioner.
Detta är den första fasen av en flerårig plan för att söka efter axioner. Vi förbereder för närvarande nästa experiment, som kommer att vara känsligare och rikta in sig på ett nytt, ännu outforskat massområde.
Men varför spelar mörk materia någon roll?
Tja, för en, vi vet från historien att när vi investerar i grundläggande fysik, slutar vi med att utveckla viktiga teknologier. Till exempel är all modern datoranvändning beroende av vår förståelse av kvantmekanik.
Vi skulle aldrig ha upptäckt elektricitet, eller radiovågor, om vi inte eftersträvade saker som vid den tiden verkade vara konstiga fysiska fenomen bortom vår förståelse. Mörk materia är densamma.
Tänk på allt som människor har åstadkommit genom att bara förstå en sjättedel av materien i universum – och föreställ dig vad vi skulle kunna göra om vi låste upp resten.
Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.
Image Credit: Illustris Samarbete
