Standardmodellen for kosmologi forteller oss at bare 4,9% av universet er sammensatt av vanlig materie (dvs. det vi kan se), mens resten består av 26,8% mørk materie og 68,3% mørk energi. Som navnene antyder, kan vi ikke se dem, så deres eksistens har måttet utledes med utgangspunkt i teoretiske modeller, observasjoner av universets storskala struktur og dens tilsynelatende gravitasjonseffekter på synlige stoffer.
Siden det først ble foreslått, har det ikke vært mangel på forslag til hvordan Dark Matter-partikler ser ut. For ikke lenge siden foreslo mange forskere at Dark Matter består av svakt samvirkende massive partikler (WIMPs), som er omtrent 100 ganger massen til et proton, men samvirker som nøytrinoer. Imidlertid har alle forsøk på å finne WIMP-er ved hjelp av collider-eksperimenter kommet tomt. Som sådan har forskere undersøkt ideen i det siste om at mørk materie kan bestå av noe annet.
Nåværende kosmologiske modeller antar at massen av mørk materie er rundt 100 Gev (Giga-elektrovolt), som tilsvarer masseskalaen til mange av de andre partiklene som samvirker via svak kjernekraft. Eksistensen av en slik partikkel ville være i samsvar med supersymmetriske utvidelser av standardmodellen for partikkelfysikk. Det antas videre at slike partikler ville blitt produsert i det varme, tette, tidlige universet, med en massetetthet som har vært konsistent til i dag.
Pågående eksperimentelle forsøk på å oppdage WIMP-er har imidlertid ikke klart å gi noen konkrete bevis på disse partiklene. Disse har inkludert å søke etter produktene fra WIMP-utslettelse (dvs. gammastråler, nøytrinoer og kosmiske stråler) i nærliggende galakser og klynger, samt direkte deteksjonseksperimenter ved bruk av superkollider, som CERN Large Hadron Collider (LHC) i Sveits.
På grunn av dette har mange forskerteam begynt å vurdere å se utover WIMPs paradigme for å finne Dark Matter. Et slikt team består av en gruppe kosmologer fra CERN og CP3-Origins i Danmark, som nylig ga ut en studie som indikerte at Dark Matter kunne være mye tyngre og mye mindre samspill enn tidligere antatt.
Som Dr. McCullen Sandora, en av forskerteamets medlemmer fra CP-3 Origins, fortalte Space Magazine via e-post:
"Vi kan ikke utelukke WIMP-scenariet ennå, men med hvert år som går, blir det mer og mer mistenkt at vi ikke har sett noe. I tillegg lider den vanlige fysikken i svak skala fra hierarkiproblemet. Det er grunnen til at alle partiklene vi vet om er så lette, spesielt med tanke på den naturlige tyngdekraften, Planck-skalaen, som er omtrent 1019 GeV. Så hvis mørk materie var nærmere Planck-skalaen, ville den ikke bli rammet av hierarkiproblemet, og dette vil også forklare hvorfor vi ikke har sett underskriftene knyttet til WIMP-er. "
Ved å bruke en ny modell som de kaller Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), har teamet undersøkt den øvre grensen for masse mørk materie. Mens WIMPs plasserer massen av mørk materie på den øvre grensen for elektro-skalaen, foreslo det danske forskerteamet til Marthias Garny, McCullen Sandora og Martin S. Sloth en partikkel med en masse nær en annen naturlig skala - Planck Scale.
På Planck-skalaen tilsvarer en enkelt masseenhet 2.17645 × 10-8 kg - omtrent et mikrogram, eller 1019 ganger større enn massen til et proton. Ved denne massen er hver PIDM egentlig så tung som en partikkel kan være før den blir et miniatyr svart hull. Teamet teoretiserer også at disse PIDM-partiklene bare interagerer med vanlig materie gjennom gravitasjon, og at store mengder av dem dannet seg i det tidlige universet under "gjenoppvarming" -epoken - en periode som skjedde på slutten av inflasjonsepoken, omtrent 10-36 t0 10-33 eller 10-32 sekunder etter Big Bang.
Dette er epoke er såkalt fordi, under inflasjonen, antas kosmiske temperaturer å ha falt med en faktor på 100 000 eller så. Da inflasjonen tok slutt, vendte temperaturene tilbake til sin førinflasjonære temperatur (anslagsvis 1027 K). På dette tidspunktet forfalt inflasjonsfeltets store potensielle energi til standardmodellpartikler som fylte universet, noe som ville ha inkludert Dark Matter.
Naturligvis kommer denne nye teorien med sin del av implikasjoner for kosmologer. For eksempel for at denne modellen skal fungere, ville temperaturen på oppvarmingsepoken måtte ha vært høyere enn det som antas for øyeblikket. Dessuten vil en varmere oppvarmingsperiode også resultere i at det skapes mer urokkelige gravitasjonsbølger, som vil være synlige i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB).
"Å ha en så høy temperatur forteller oss to interessante ting om inflasjon," sier Sandora. "Hvis mørk materie viser seg å være en PIDM: den første er at inflasjonen skjedde med en veldig høy energi, som igjen betyr at den var i stand til å produsere ikke bare svingninger i temperaturen i det tidlige universet, men også i selve romtiden, i form av gravitasjonsbølger. For det andre forteller den oss at inflasjonsenergien måtte råtne inn i materien ekstremt raskt, fordi hvis det hadde tatt for lang tid ville universet ha avkjølt seg til det punktet der det ikke hadde vært i stand til å produsere noen PIDM-er i det hele tatt. "
Forekomsten av disse gravitasjonsbølgene kan bekreftes eller utelukkes av fremtidige studier som involverer Cosmic Microwave Background (CMB). Dette er spennende nyheter, siden den nylige oppdagelsen av gravitasjonsbølger forventes å føre til fornyede forsøk på å oppdage urbølger som dateres helt tilbake til universets opprettelse.
Som Sandora forklarte, presenterer dette et vinn-vinn-scenario for forskere, da det betyr at denne siste kandidaten til Dark Matter vil kunne bevise eller motbevise i løpet av en nær fremtid.
“[O] ur-scenariet gir en konkret forutsigelse: vi vil se gravitasjonsbølger i neste generasjon av kosmiske mikrobølgebakgrunnen eksperimenter. Derfor er det et nei-tap-scenario: hvis vi ser dem, er det flott, og hvis vi ikke ser dem, vil vi vite at mørk materie ikke er en PIDM, noe som vil bety at vi vet at det må ha noen ekstra interaksjoner med vanlig materie. Og alt dette vil skje i løpet av det neste tiåret eller så, noe som gir oss mye å se frem til. ”
Helt siden Jacobus Kapteyn for første gang foreslo eksistensen av Dark Matter i 1922, har forskere søkt etter noen direkte bevis på dens eksistens. Og en etter en er kandidatpartikler - alt fra gravitinos og MACHOS til aksjoner - blitt foreslått, veid og funnet manglende. Hvis ikke annet, er det godt å vite at denne siste kandidatpartikkels eksistens kan bevises eller utelukkes i løpet av en nær fremtid.
Og hvis det er bevist å være riktig, vil vi ha løst et av de største kosmologiske mysteriene gjennom tidene! Et skritt nærmere å virkelig forstå universet og hvordan dets mystiske krefter samvirker. Teori om alt, her kommer vi (eller ikke)!
