Fysikere på jakt etter den usynlige hånden som former universet vårt og galaksene i det, har vendt blikket mot den mørke siden. Konkret ser et team bak hver kosmisk bergart etter såkalte mørke fotoner, som kan overføre en tidligere ukjent naturkraft.
Disse fotonene ville formidle samspillet mellom all normal materie og de usynlige tingene som kalles mørk materie.
Men forskere har lenge forstått at naturen blir strukket og trukket og knust og revet av fire kjente krefter, så hvordan kunne en annen styrke ha skjult for oss så lenge? Disse fire kjente kreftene utgjør hjørnesteinen i vår hverdagslige tilværelse: den tyranniske, men kortsiktige sterke atomkraften, som binder atomkjerner sammen; den obskure og hviskestille svake atomkraften, som kontrollerer radioaktivt forfall og snakker med de subatomære partiklene som kalles nøytrinoer; den dristige og lyse elektromagnetiske kraften, som dominerer livene våre; og den subtile gravitasjonskraften, den desidert svakeste av kvartetten.
Ved å bruke disse fire grunnleggende kreftene er fysikere i stand til å male et portrett av våre subatomære og makroskopiske verdener. Det er ingen samhandling som ikke involverer en av de fire karakterene. Og likevel florerer mysterier om interaksjoner i vårt univers, spesielt på de største skalaene. Når vi zoomer ut til skalaen til galakser og utover, oppstår det noe fiskig, og vi gir den fisken navnet mørk materie.
Er mørk materie enkel og uporned, eller skjuler den en rekke tidligere ukjente krefter i koblingene? Nå har et internasjonalt team av fysikere, som beskriver sitt arbeid på nettet i preprint-tidsskriftet arXiv, brukt en datadump fra Large Hadron Collider - verdens største atomutvikler - for å se etter en slik styrke. Foreløpig har søket deres dukket opp tomt - noe som er bra (slags): Det betyr at våre kjente fysiske lover fortsatt holder. Men vi kan fremdeles ikke forklare mørk materie.
Lost in the dark
Mørk materie er en hypotetisk form for materie som sies å utgjøre rundt 80% av universets totale masse. Det er liksom en stor avtale. Vi vet egentlig ikke hva som er ansvarlig for alle disse ekstra usynlige tingene, men vi vet at det eksisterer, og vår største ledetråd er tyngdekraften. Ved å undersøke bevegelsene til stjerner i galakser og galakser i klynger, sammen med utviklingen av de største strukturene i kosmos, har astronomer nesten universelt kommet til den konklusjon at det er mer enn oppfyller det galaktiske øyet.
Et bedre navn på mørk materie kan være usynlig materie. Selv om vi kan utlede det fra dens gravitasjonspåvirkning (fordi ingenting slipper unna Albert Einsteins allsynende øye), samhandler mørk materie ganske enkelt ikke med lys. Vi vet dette fordi hvis mørk materie hadde interaksjon med lys (eller i det minste, hvis det samhandlet med lys på den måten som kjent materie gjør), ville vi sett det mystiske stoffet nå. Men så vidt vi kan si, absorberer mørk materie - uansett hva det er - ikke lys, reflekterer lys, bryter lys, sprer lys eller sender ut lys. For mørk materie er lys ganske enkelt persona non grata; det kan like gjerne ikke en gang eksistere.
Og det er så stor sjanse for at legioner av mørke stoffpartikler strømmer gjennom kroppen din akkurat nå. Den kombinerte massen av den uendelige strømmen kan forme skjebnen til galakser via gravitasjonspåvirkning, men den passerer gjennom normal materie uten engang hei. Uhøflig, jeg vet, men det er mørk sak for deg.
Å bringe lyset
Siden vi ikke vet hva mørk materie er laget av, står vi fritt til å gjøre opp alle slags scenarier, både verdslige og fantasifulle. Det enkleste bildet av mørk materie sier at det er stort og grunnleggende. Ja, det utgjør det store flertallet av universets masse, men den består bare av en enkelt, svært produktiv partikkel som ikke gjør annet enn å ha masse. Det betyr at materialet kan gjøre seg kjent gjennom tyngdekraften, men ellers aldri samvirker gjennom noen av de andre kreftene. Vi vil aldri noen gang få et glimt av mørk materie som gjør noe annet.
De fantasifulle scenariene er morsommere.
Når teoretikere blir lei, koker de opp ideer for hva mørk materie kan være, og enda viktigere, hvordan vi kan oppdage det. Det neste nivået opp i omfanget av interessante teorier om mørk materie sier at stoffet tidvis kan snakke med normal materie via den svake atomstyrken. Den ideen motiverer mørkstoffeksperimenter og detektorer rundt om i verden i dag.
Men likevel antar det scenariet at det fremdeles bare er fire naturkrefter. Hvis mørk materie er en tidligere usett type partikkel, er det helt rimelig å antyde (fordi vi ikke aner om vi har rett eller ikke) at det kommer pakket med en tidligere ukjent naturstyrke - eller kanskje et par, som vet ? Denne potensielle kraften kan la mørk materie bare snakke med mørk materie, eller den kan flette sammen mørk materie og mørk energi (som vi heller ikke forstår), eller den kan åpne for en ny kommunikasjonskanal mellom de normale og mørke sektorene i vårt univers .
Rise of the dark photon
En foreslått kommunikasjonsportal mellom lys og mørke riker er noe som kalles et mørkt foton, analogt med den kjente (lette) fotonen til den elektromagnetiske kraften. Vi får ikke se eller smake eller lukte de mørke fotonene direkte, men de kan blande seg med vår verden. I dette scenariet avgir mørk materie mørke fotoner, som er relativt massive partikler. Dette betyr at de bare har kort effekt, i motsetning til lysbærende kolleger. Men av og til kunne et mørkt foton samhandle med et vanlig foton, og endre energi og bane.
Dette ville være en veldig sjelden hendelse; Ellers hadde vi lagt merke til at noe funky foregikk med elektromagnetisme for lenge siden.
Så selv med mørke fotoner ville vi ikke kunne se den mørke saken direkte, men vi kunne sniffe ut eksistensen av de mørke fotonene ved å undersøke flere elektromagnetiske interaksjoner. I en liten brøkdel av disse kløftene kunne et mørkt foton "stjele" energi fra et vanlig foton ved å samhandle med det.
Men som sagt, vi trenger mange interaksjoner. Det hender bare at vi har bygget gigantiske Machines of Science for å produsere akkurat det, så vi er heldige.
I arXiv-papiret rapporterte fysikere om resultatene etter å ha undersøkt data om tre år fra Super Proton Synchrotron, den nest største partikkelakseleratoren ved CERN. For dette eksperimentet knuste forskerne protonene mot den subatomære ekvivalent til en murvegg og så på alle brikkene i kjølvannet.
I vrakpanten fant forskerne elektroner - mange av dem. I løpet av tre år regnet forskere over 20 milliarder elektron med energier over 100 GeV. Fordi elektroner er ladede partikler og liker å samhandle med hverandre, skapte også høyeenergi-elektronene i dette eksperimentet mange fotoner. Hvis det finnes mørke fotoner, bør de noen ganger samhandle med og stjele energi fra en av de vanlige fotonene, et fenomen som vil dukke opp i eksperimentet som mangel på lys.
Dette søket etter mørke fotoner kom tomt ut - alle normale fotoner var til stede og sto for - men det utelukker ikke eksistensen av mørke fotoner. I stedet setter det grenser for de tillatte egenskapene til disse partiklene. Hvis de eksisterer, ville de ha lav energi (mindre enn en GeV, basert på resultatene av eksperimentet) og ville bare sjelden samhandle med vanlige fotoner.
Letingen etter mørke fotoner fortsetter imidlertid, med fremtidige kjøringer av eksperimentet satt hjem til enda lenger på denne foreslåtte skapningen av den subatomære verdenen.
Les mer: "Dark Matter Search in Missing Energy Events With NA64"
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av "Spør en Spaceman" og "Space Radio, "og forfatter av"Din plass i universet."
