Et usynligt stof gennemsyrer universet og ændrer stier og galakser.
Denne såkaldte mørke stof udøver en tyngdekrafttrækning, men interagerer aldrig med lys. Ingen ved, hvad det er lavet af, og det har været umuligt at opdage indtil nu. Men en ny teori kunne endelig give en måde at teste på mørk stof.
Mørk stof kan være sammensat af underlige halvmagneter, sagde teoretiske fysikere fra University of California, Davis, på en præsentation den 6. juni på Planck 2019-konferencen i Granada, Spanien. Og ved at tænde for et virkelig kraftigt (som endnu ikke eksisterende) elektronmikroskop, er vi muligvis endelig i stand til at registrere dem.
Men ikke alle fysikere er overbeviste.
"Jeg synes, det er pænt, men ikke særlig lovende," sagde Sabine Hossenfelder, en forsker ved Frankfurt Institute for Advanced Studies, som ikke var en del af studiet. "Der er uendeligt mange partikler, som du kan opfinde, der kan udgøre mørkt stof." Dette er bare endnu en af dem, tilføjede hun.
"For hver af disse partikler kan du lave mange beregninger, offentliggøre papirer og tænke op eksperimenter, som du derefter kan prøve at få finansiering til," sagde hun. "Hvis du virkelig er heldig, vil nogen gøre dit eksperiment - som så ikke finder noget."
Jakten på mørk stof
Selvom teorier forudsiger, at mørk stof findes, har vi ingen idé om, hvordan det ser ud, eller hvordan det er lavet af. I et stykke tid var der "en smuk historie" om, at mørk materie var sammensat af et lumrende, genert udyr af en partikel kendt som en svag interagerende massiv partikel eller WIMP, sagde medforfatter til den nye undersøgelse, John Terning, en professor i fysik ved University of California, Davis.
I årevis søgte forskere efter disse langsomme, ladeløse partikler ved hjælp af kraftige partikelacceleratorer. Men som tiden gik udelukkede fysikere flere og flere WIMP-kandidater - og den populære idé mistede trækkraft. Selvom det ikke udelukkes fuldstændigt, "har de sidste 10 år tænkt på andre muligheder end WIMP'er," sagde Terning.
En anden teori foreslår, at mørkt stof faktisk består af lyspartikler eller fotoner.
"Ud over de almindelige fotoner, som vi kan se, kan der være nogle fotoner, som vi ikke kan se," sagde Terning. Disse såkaldte "mørke fotoner" er hypotetiske partikler, der har masse, men er lysere end elektroner. Mørke fotoner ville interagere - selvom de er svagt - med almindelige fotoner.
I denne nye undersøgelse byggede Terning og hans postdoktoriske forsker Christopher Verhaaren på denne teori og foreslog, at mørkt stof også kunne være sammensat af mørke halvmagneter. Disse hypotetiske halvmagneter ville være mørke versioner af de eftertragtede monopoler eller magneter der kun har en enkelt pol, foreslog fysikeren Paul Dirac først i 1930'erne. (På trods af årtiers jagt fandt ingen endnu bevis for dem i naturen.)
Dirac foreslog dog ikke bare monopoler; han foreslog også, at et elektron, der bevæger sig rundt i en monopol, ville blive påvirket af dets magnetfelt. Så hvis Terning og Verhaarens teori stemmer, og mørke versioner af disse halvmagneter lurer et sted i universet - og hvis disse mørke halvmagneter fungerer som Diracs monopol - ville de også efterlade subtile spor i elektronernes baner.
Hvis der findes mørke monopoler, vil de udsende mørke fotoner, der kan omdannes til almindelige fotoner, før de absorberes af elektroner, sagde Terning. Denne interaktion ville få elektroner til at rotere eller ændre kurs bare en lille smule og frembringe et interferensmønster kaldet Aharonov-Bohm-effekten. (Elektroner er ikke bare partikler, de er også bølger, og et interferensmønster er det, der dukker op, når toppe og dale i elektronens "bølgeforligning" enten tilføjer eller annullerer hinanden, skaber en række parallelle lys og mørke streger.) Terning og Verhaaren foreslår, at de muligvis kunne registrere denne meget lette ændring i elektroninterferensmønstre ved hjælp af elektronmikroskoper.
Spændt af solen
Hvis der findes mørkt stof, er det i os og alle omkring os - inklusive i og omkring ethvert elektronstråle-mikroskop, vi ville bruge til at registrere det. Men for at detektere mørkt stof gennem dets forstyrrelse af elektroner, ville de mærkelige halvmagneter, der udgør mørkt stof, have et stærkt nok magnetfelt. Det betyder, at disse halvmagneter skulle have en masse energi.
Monopoler, der passerer nær solen, kan blive ophidset, få mere energi og derefter tage vej ned til Jorden, sagde Terning. Han forudsiger, at omkring fem af disse ophidsede monopoler om dagen ville gennemgå noget på størrelse med deres foreslåede elektronstråle-mikroskop. ”Det er ikke dårligt, fordi sædvanlige WIMP-detektorer ville være glade, hvis de fik fem begivenheder om året,” sagde han.
Derudover ville ændringen i elektronfase forårsaget af mørke halvmagneter være så lille, at for at detektere det, ville vi have brug for utroligt højopløselig elektronstråle-mikroskop - de i øjeblikket eksisterede er sandsynligvis ikke kraftige nok . Dette elektronmikroskop skulle have en opløsning, der er fem gange større end den, der findes i øjeblikket, sagde Terning.
Under alle omstændigheder håber vi at "få disse mennesker med de super-fancy elektronmikroskoper interesseret i at søge efter dette", eller "må vi" måske bygge et andet bare for at sidde og vente på mørk stof, ”sagde Terning.
De forskellige konkurrerende teorier om mørk stof ville fortælle os helt forskellige historier om, hvordan det tidlige univers dannede sig, sagde han. Hvad mere er, når du først har fundet ud af, hvad mørk stof faktisk er lavet af - hvad enten det er lette eller tunge partikler - kunne mennesker tænkeligt oprette fabrikker af mørke stoffer, af slags, her på Jorden. "Hvis det er meget lys, har du ikke brug for meget energi til at fremstille din egen mørke stof."
Forskerne offentliggjorde deres undersøgelse til preprint-tidsskriftet arXiv. Det er endnu ikke blevet peer review.
