Cirka 80% af alt stoffet i kosmos er af en form, der er helt ukendt for den aktuelle fysik. Vi kalder det mørk stof, for så godt vi kan fortælle, er det… mørkt. Eksperimenter rundt om i verden forsøger at fange en omstrejfende mørk stofpartikel i håb om at forstå den, men indtil videre har de dukket op.
For nylig har et team af teoretikere foreslået en ny måde at jage på mørkt stof ved hjælp af underlige "partikler" kaldet magnoner, et navn, jeg ikke bare udgør. Disse bittesmå krusninger kunne lokke endda en flygtig, let mørk stofpartikel ud af skjul, siger disse teoretikere.
Den mørke materie puslespil
Vi ved alle mulige ting om mørk stof, med den bemærkelsesværdige undtagelse af hvad det er.
Selvom vi ikke direkte kan registrere det, ser vi beviset for mørkt stof, så snart vi åbner vores teleskoper for det bredere univers. Den første åbenbaring, tilbage i 1930'erne, kom gennem observationer af galakse klynger, nogle af de største strukturer i universet. Galakserne, der beboede dem, bevægede sig simpelthen for hurtigt til at holdes sammen som en klynge. Det skyldes, at galaksernes kollektive masse giver gravitationslim, der holder klyngen sammen - jo større masse, jo stærkere lim er. En superstærk lim kan holde sammen selv de galakser, der bevæger sig hurtigst. Enhver hurtigere og klyngen vil simpelthen rive sig fra hinanden.
Men der var klyngerne, eksisterende, med galakser, der surrede rundt inden i dem langt hurtigere, end de skulle have givet klyngenes masse. Noget havde gravitationsgreb nok til at holde klyngerne sammen, men at noget ikke udsendte eller interagerede med lys.
Dette mysterium vedvarede uopløst gennem årtier, og i 1970'erne hævede astronom Vera Rubin ante på en stor måde gennem observationer af stjerner inden for galakser. Endnu en gang bevægede ting sig for hurtigt: I betragtning af deres observerede masse skulle galakserne i vores univers have spundet sig fra hinanden for milliarder af år siden. Noget holdt dem sammen. Noget uset.
Historien gentages over hele kosmos, både i tid og rum. Fra det tidligste lys fra Big Bang til de største strukturer i universet er der noget funky derude.
Søger i mørket
Så mørk materie er der meget - vi kan bare ikke finde nogen anden levedygtig hypotese til at forklare dataets tsunami til støtte for dens eksistens. Men hvad er det? Vores bedste gæt er, at mørkt stof er en slags ny, eksotisk partikel, der hidtil er ukendt for fysikken. På dette billede oversvømmer mørk stof hver galakse. Faktisk er den synlige del af en galakse, set gennem stjerner og skyer af gas og støv, bare et lille fyrtårn, der ligger mod en meget større, mørkere kyst. Hver galakse sidder i en stor "glorie" bestående af zillioner på zillioner af mørke stofpartikler.
Disse mørke stofpartikler strømmer gennem dit værelse lige nu. De streamer gennem dig. Et uendeligt regnbrusebad - små, usynlige partikler af mørkt stof. Men du bemærker dem simpelthen ikke. De interagerer ikke med lys eller med ladede partikler. Du er lavet af ladede partikler, og du er meget venlig med lys; du er usynlig for mørk stof og mørk stof er usynlig for dig. Den eneste måde, vi "ser" mørkt stof på, er gennem tyngdekraften; tyngdekraften lægger mærke til enhver form for stof og energi i universet, mørkt eller ej, så i de største skalaer observerer vi påvirkningen af den samlede masse af alle disse utallige partikler. Men her i dit værelse? Ikke noget.
Medmindre vi håber, er der en anden måde, hvorpå mørkt stof interagerer med os normale sager. Det er muligt, at den mørke materiepartikel, uanset hvilken dækning den er, også føler den svage atomkraft - som er ansvarlig for radioaktivt henfald - åbner et nyt vindue i denne skjulte verden. Forestil dig at bygge en gigantisk detektor, bare en stor masse af det element, du har praktisk. Mørke stofpartikler strømmer igennem det, næsten alle helt ufarlige. Men nogle gange, med en sjældenhed, afhængig af den bestemte model af mørkt stof, interagerer den forbipasserende partikel med en af atomkernerne i elementerne i detektoren via den svage atomkraft, banker den ud af sin plads og gør detektorens hele masse sitre.
Indtast magnonen
Denne eksperimentelle opsætning fungerer kun, hvis partiklen i mørke stoffer er relativt tung, hvilket giver den nok oomph til at slå en kerne ud i en af disse sjældne interaktioner. Men indtil videre har ingen af de mørke stofdetektorer rundt om i verden set spor af en interaktion, selv efter år og års søgning. Idet eksperimenterne er slået sammen, er de tilladte egenskaber ved mørkt stof langsomt udelukket. Dette er ikke nødvendigvis en dårlig ting; vi ved simpelthen ikke, hvad mørkt stof er lavet af, så jo mere vi ved om, hvad det ikke er, jo klarere er billedet af, hvad det kunne være.
Men manglen på resultater kan være lidt bekymrende. De tyngste kandidater til mørk stof bliver udelukket, og hvis den mystiske partikel er for lys, vil den aldrig blive set i detektorerne, da de er oprettet lige nu. Det vil sige, medmindre der er en anden måde, hvorpå mørk materie kan tale med almindelige sager.
I en nylig artikel, der er offentliggjort i fortrykket online tidsskrift arXiv, detaljerede fysikere et foreslået eksperimentelt opsætning, der kunne få øje på en mørk stofpartikel ved at ændre drejningen af elektroner (hvis faktisk mørk stof kan gøre det). I denne opsætning kan mørkt stof potentielt detekteres, selvom den mistænkte partikel er meget lys. Det kan gøre dette ved at oprette såkaldte magnoner i materialet.
Læg som om du har et stykke materiale ved en temperatur på absolut nul. Alle spins - ligesom små barmagneter - af alle elektroner i den sag vil pege i samme retning. Når du langsomt hæver temperaturen, vil nogle af elektronerne begynde at vågne op, vifte rundt og tilfældigt pege deres spins i den modsatte retning. Jo højere du hæver temperaturen, jo flere elektroner vindes op - og hver af disse flips reducerer magnetstyrken med bare en lille smule. Hver af disse vippede spins forårsager også en smule krusning i materialets energi, og disse svingninger kan ses som en kvasipartikel, ikke en ægte partikel, men noget du kan beskrive med matematik på den måde. Disse kvasipartikler er kendt som "magnoner", sandsynligvis fordi de er som små, søde små magneter.
Så hvis du starter med et rigtig koldt materiale, og nok mørke stofpartikler rammer materialet og vender nogle spins rundt, vil du observere magnoner. På grund af eksperimentets følsomhed og arten af interaktionerne kan denne opsætning detektere en letvægtig mørk stofpartikel.
Det vil sige, hvis det findes.
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.
