Fysikere på jagt efter den usynlige hånd, der former vores univers og galakser inden i det, har vendt deres blik til den mørke side. Specifikt kigger et hold bag hver kosmisk klippe efter såkaldte mørke fotoner, der kunne transmittere en tidligere ukendt naturkraft.
Disse fotoner ville formidle samspillet mellem al normal stof og det usynlige stof kaldet mørkt stof.
Men forskere har længe forstået, at naturen er strakt og trukket og knust og revet af fire kendte kræfter, så hvordan kunne en anden styrke have skjult for os så længe? Disse fire kendte kræfter udgør hjørnestenen i vores hverdagslige eksistens: den tyranniske, men kortvarige stærke atomkraft, der binder atomkerner sammen; den obskure og hviskestille svage atomkraft, der kontrollerer radioaktivt henfald og taler med de subatomære partikler kaldet neutrinoer; den dristige og lyse elektromagnetiske kraft, der dominerer vores liv; og den subtile tyngdekraft, langt den svageste i kvartetten.
Ved hjælp af disse fire grundlæggende kræfter er fysikere i stand til at male et portræt af vores subatomære og makroskopiske verdener. Der er ingen interaktion, der ikke involverer en af disse fire karakterer. Og alligevel bugter mysterier stadig om interaktioner i vores univers, især på de største skalaer. Når vi zoomer ud til størrelsesordenen af galakser og derover, forekommer der noget fiskigt, og vi giver den fiskethed navnet på mørk stof.
Er mørk stof enkel og ikke pyntet, eller skjuler den en række tidligere ukendte kræfter i dens koblinger? Nu har et internationalt team af fysikere, der beskriver deres arbejde online i preprint-tidsskriftet arXiv, brugt en datadump fra Large Hadron Collider - verdens største atomudslipning - til at lede efter en sådan styrke. For tiden har deres søgning dukket op tom - hvilket er godt (slags): Det betyder, at vores kendte fysiske love stadig holder. Men vi kan stadig ikke forklare mørk materie.
Lost in the dark
Mørk stof er en hypotetisk form for stof, der siges at udgøre omkring 80% af universets samlede masse. Det er lidt af en big deal. Vi ved ikke rigtig, hvad der er ansvarlig for alle disse ekstra usynlige ting, men vi ved, at det findes, og vores største ledetråd er tyngdekraften. Ved at undersøge bevægelserne fra stjerner inden for galakser og galakser inden i klynger sammen med udviklingen af de største strukturer i kosmos, har astronomer næsten universelt kommet til den konklusion, at der er mere end opfylder det galaktiske øje.
Et bedre navn på mørk stof kan være usynlig stof. Selvom vi kan udlede det fra dens tyngdekraftpåvirkning (fordi intet slipper ud af Albert Einsteins almindelige øje), interagerer mørkt stof simpelthen ikke med lys. Vi ved dette, fordi hvis mørkt stof interagerede med lys (eller i det mindste, hvis det interagerede med lys på den måde, som kendt stof gør), ville vi have set det mystiske stof nu. Men så vidt vi kan sige, absorberer mørkt stof - uanset hvad det er - ikke lys, reflekterer lys, refracerer lys, spreder lys eller udsender lys. For mørk stof er lys simpelthen persona non grata; det kan lige så godt ikke engang eksistere.
Og så er der en solid chance for, at legioner af mørke stofpartikler strømmer gennem din krop lige nu. Den kombinerede masse af den uendelige strøm kan forme galakernes skæbner via gravitationspåvirkning, men den passerer gennem normalt stof uden endda et hej. Uhøfligt, jeg ved, men det er mørk sag for dig.
Bringer lyset
Da vi ikke ved, hvad mørk stof er lavet af, er vi frie til at sammensætte alle slags scenarier, både dagligdags og fantasifulde. Det enkleste billede af mørk stof siger, at det er stort og grundlæggende. Ja, det udgør langt de fleste af universets masse, men det består kun af en enkelt, meget produktiv partikel, der ikke gør andet end at have masse. Det betyder, at materialet kan gøre sig kendt gennem tyngdekraften, men ellers aldrig interagerer gennem nogen af de andre kræfter. Vi får aldrig et glimt af mørk stof, der gør noget andet.
De fantasifulde scenarier er sjovere.
Når teoretikere keder sig, tilbereder de ideer til, hvad mørkt stof kan være, og endnu vigtigere, hvordan vi kunne opdage det. Det næste niveau op på skalaen med interessante mørke stofteorier siger, at stoffet lejlighedsvis kan tale med normal stof via den svage atomkraft. Denne idé motiverer mørke stofeksperimenter og detektorer rundt om i verden i dag.
Men stadig antager dette scenarie, at der stadig kun er fire naturkræfter. Hvis mørkt stof er en tidligere uset slags partikel, er det helt rimeligt at antyde (fordi vi ikke har nogen idé om, hvorvidt vi har ret eller ej), at det kommer pakket med en tidligere ukendt naturkraft - eller måske et par, der ved ? Denne potentielle kraft kan muligvis lade mørkt stof kun tale om mørkt stof, eller det kan flette sammen mørkt stof og mørk energi (som vi heller ikke forstår), eller det åbner muligvis en ny kommunikationskanal mellem de normale og mørke sektorer i vores univers .
Fremkomst af den mørke foton
En foreslået kommunikationsportal mellem den lys og den mørke verden er noget, der kaldes en mørk foton, analog med den velkendte (lyse) foton af den elektromagnetiske kraft. Vi får ikke se eller smage eller lugte de mørke fotoner direkte, men de kan muligvis blande sig med vores verden. I dette scenarie udsender mørkt stof mørke fotoner, som er relativt massive partikler. Dette betyder, at de kun har effekter over en kort rækkevidde, helt i modsætning til deres lysbærende modstykker. Men lejlighedsvis kunne en mørk foton interagere med en almindelig foton og ændre dens energi og bane.
Dette ville være en meget sjælden begivenhed; Ellers ville vi have bemærket noget funky, der foregik med elektromagnetisme for længe siden.
Så selv med mørke fotoner ville vi ikke være i stand til at se den mørke materie direkte, men vi kunne snuppe eksistensen af de mørke fotoner ved at undersøge gummier af elektromagnetiske interaktioner. I en lille brøkdel af disse kløfter kunne en mørk foton "stjæle" energi fra en almindelig foton ved at interagere med den.
Men som jeg sagde, vi har brug for masser af interaktioner. Det sker bare så, at vi har bygget gigantiske Machines of Science til at producere nøjagtigt det, så vi er heldige.
I arXiv-papiret rapporterede fysikere deres resultater efter at have undersøgt tre års værdi af data fra Super Proton Synchrotron, den næststørste partikelaccelerator ved CERN. For dette eksperiment smadrede forskerne protonerne mod det subatomære ækvivalent af en mur og så på alle brikkerne i kølvandet.
I vraget fandt forskerne elektroner - masser af dem. I løbet af tre år tællede forskere over 20 milliarder elektroner med energier over 100 GeV. Fordi elektroner er ladede partikler og kan lide at interagere med hinanden, spaede de højenergi-elektroner i dette eksperiment også en masse fotoner. Hvis der findes mørke fotoner, skal de undertiden interagere med og stjæle energi fra en af de almindelige fotoner, et fænomen, der ville dukke op i eksperimentet som en mangel på lys.
Denne søgning efter mørke fotoner kom tom - alle normale fotoner var til stede og redegjorde for - men det udelukker ikke helt, at der findes mørke fotoner. I stedet sætter det grænser for de tilladte egenskaber for disse partikler. Hvis de findes, ville de have lav energi (mindre end en GeV, baseret på resultaterne af eksperimentet) og ville kun sjældent interagere med almindelige fotoner.
Søgningen efter mørke fotoner fortsætter dog med fremtidige kørsler af eksperimentet sat i hjemmet endnu længere på denne foreslåede skabning af den subatomære verden.
Læs mere: "Dark Matter-søgning i manglende energi-begivenheder med NA64"
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for "Spørg en Spaceman" og "Space Radio, "og forfatter af"Dit sted i universet."
