Standardmodellen for kosmologi fortæller os, at kun 4,9% af universet er sammensat af almindeligt stof (dvs. det, som vi kan se), mens resten består af 26,8% mørkt stof og 68,3% mørk energi. Som navnene antyder, kan vi ikke se dem, så deres eksistens har måttet udledes på grundlag af teoretiske modeller, observationer af universets storskala struktur og dets tilsyneladende gravitationseffekter på synlige stoffer.
Siden det første gang blev foreslået, har der ikke været nogen mangel på forslag til, hvordan Dark Matter-partikler ser ud. For ikke længe siden foreslog mange videnskabsmænd, at Dark Matter består af svag-interagerende massive partikler (WIMP'er), som er omkring 100 gange massen af et proton, men interagerer som neutrinoer. Imidlertid er alle forsøg på at finde WIMP'er ved hjælp af collider-eksperimenter kommet tomme. Som sådan har videnskabsmænd undersøgt ideen for nylig, at mørkt stof måske består af noget andet.
Nuværende kosmologiske modeller antager normalt, at massen af mørkt stof er omkring 100 Gev (Giga-elektrovolt), hvilket svarer til masseskalaen for en masse af de andre partikler, der interagerer via svag atomkraft. Eksistensen af en sådan partikel ville være i overensstemmelse med supersymmetriske udvidelser af standardmodellen for partikelfysik. Det antages endvidere, at sådanne partikler ville være produceret i det varme, tætte, tidlige univers med en massetæthed, som er forblevet konsistent i dag.
Imidlertid har den igangværende eksperimentelle indsats for at detektere WIMP'er ikke fremlagt nogen konkret bevis for disse partikler. Disse har inkluderet søgning efter produkter fra WIMP-udryddelse (dvs. gammastråler, neutrinoer og kosmiske stråler) i nærliggende galakser og klynger samt direkte detekteringseksperimenter ved hjælp af supercolliders, som CERN Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz.
På grund af dette er mange forskerteam begyndt at overveje at se ud over WIMPs-paradigmet for at finde Dark Matter. Et sådant team består af en gruppe kosmologer fra CERN og CP3-Origins i Danmark, som for nylig offentliggjorde en undersøgelse, der indikerede, at Dark Matter kunne være meget tungere og meget mindre interagerende end tidligere antaget.
Som Dr. McCullen Sandora, et af forskerteamets medlemmer fra CP-3 Origins, fortalte Space Magazine via e-mail:
”Vi kan ikke udelukke WIMP-scenariet endnu, men med hvert år, der går, bliver det mere og mere mistænkt for, at vi ikke har set noget. Derudover lider den sædvanlige fysik i svag skala under hierarkiproblemet. Det er grunden til, at alle partiklerne, vi kender til, er så lette, især med hensyn til den naturlige tyngdeskala, Planck-skalaen, som er ca. 1019 GeV. Så hvis mørkt stof var tættere på Planck-skalaen, ville det ikke blive berørt af hierarkiproblemet, og dette ville også forklare, hvorfor vi ikke har set underskrifterne, der er forbundet med WIMP'er. ”
Ved hjælp af en ny model, de kalder Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), har teamet undersøgt den øvre grænse for masse af mørkt stof. Mens WIMP'er anbringer massen af mørkt stof på den øverste grænse af elektrovågskalaen, foreslog det danske forskerteam for Marthias Garny, McCullen Sandora og Martin S. Sloth en partikel med en masse nær en anden naturlig skala - Planck-skalaen.
På Planck-skalaen svarer en enkelt masseenhed til 2.17645 × 10-8 kg - omtrent et mikrogram eller 1019 gange større end massen af en proton. Ved denne masse er hver PIDM i det væsentlige så tung, som en partikel kan være, før den bliver et sort, sort hul. Holdet teoretiserer også, at disse PIDM-partikler kun interagerer med almindeligt stof gennem gravitation, og at et stort antal af dem dannede sig i det meget tidlige univers under "genopvarmning" -epoken - en periode, der opstod i slutningen af inflationsepoken, ca.-36 t0 10-33 eller 10-32 sekunder efter Big Bang.
Dette er epoke er såkaldt, fordi kosmiske temperaturer antages at være faldet med en faktor på 100.000 eller derover under inflationen. Da inflationen sluttede, vendte temperaturerne tilbage til deres førinflatoriske temperatur (anslået 1027 K). På dette tidspunkt henfaldt den store potentielle energi i inflationsfeltet til standardmodelpartikler, der fyldte universet, hvilket ville have inkluderet Dark Matter.
Naturligvis kommer denne nye teori med sin del af implikationer for kosmologer. For at denne model skal fungere, ville temperaturen i genopvarmningsepoken for eksempel have været højere, end det nu er antaget. Derudover ville en varmere genopvarmningsperiode også resultere i oprettelse af mere urbane gravitationsbølger, som ville være synlige i den kosmiske mikrobølgebakgrund (CMB).
”At have en sådan høj temperatur fortæller os to interessante ting om inflation,” siger Sandora. ”Hvis mørkt stof viser sig at være en PIDM: det første er, at inflationen skete ved en meget høj energi, hvilket igen betyder, at det var i stand til at producere ikke kun udsving i temperaturen i det tidlige univers, men også i selve rumtiden, i form af gravitationsbølger. For det andet fortæller det os, at inflationenergien måtte nedbrydes i materien ekstremt hurtigt, for hvis det havde taget for lang tid, ville universet være kølet ned til det punkt, hvor det overhovedet ikke havde været i stand til at producere nogen PIDM'er. ”
Eksistensen af disse gravitationsbølger kunne bekræftes eller udelukkes ved fremtidige undersøgelser, der involverede Cosmic Microbe Background (CMB). Dette er en spændende nyhed, da den nylige opdagelse af tyngdekraftsbølger forventes at føre til fornyede forsøg på at detektere urbane bølger, der går tilbage til selve universets oprettelse.
Som Sandora forklarede, præsenterer dette et win-win-scenarie for forskere, da det betyder, at denne seneste kandidat til Dark Matter vil være i stand til at bevise eller modbevise i den nærmeste fremtid.
”[O] ur-scenariet giver en konkret forudsigelse: vi ser gravitationsbølger i den næste generation af kosmiske mikrobølgebaggrundseksperimenter. Derfor er det et ikke-tabt-scenarie: hvis vi ser dem, er det fantastisk, og hvis vi ikke ser dem, ved vi, mørk materie ikke er en PIDM, hvilket vil betyde, at vi ved, at det skal have nogle yderligere interaktioner med almindeligt stof. Og alt dette vil ske inden for det næste årti, hvilket giver os masser at se frem til. ”
Lige siden Jacobus Kapteyn først foreslog eksistensen af Dark Matter i 1922, har forskere søgt efter noget direkte bevis på dets eksistens. Og en efter en er kandidatpartikler - lige fra gravitinos og MACHOS til aksioner - blevet foreslået, vejet og fundet manglende. Hvis ikke andet, er det godt at vide, at denne seneste kandidatpartikels eksistens kan bevises eller udelukkes i den nærmeste fremtid.
Og hvis det viser sig at være korrekt, vil vi have løst et af de største kosmologiske mysterier gennem tidene! Et skridt tættere på virkelig at forstå universet og hvordan dets mystiske kræfter interagerer. Teori om alt, her kommer vi (eller ikke)!
