Et usynlig stoff gjennomsyrer universet og endrer stier og galakser.
Denne såkalte mørke materien utøver et gravitasjonstrekk, men samhandler aldri med lys. Ingen vet hva den er laget av, og det har vært umulig å oppdage før nå. Men en ny teori kan endelig gi en måte å teste for mørk materie.
Mørk materie kan bestå av rare halvmagneter, sa teoretiske fysikere fra University of California, Davis, på en presentasjon 6. juni på Planck 2019-konferansen i Granada, Spania. Og ved å slå på et virkelig kraftig (som-til-ennå-ikke-eksisterende) elektronmikroskop, vil vi kanskje endelig kunne oppdage dem.
Men ikke alle fysikere er overbevist.
"Jeg synes det er pent, men ikke veldig lovende," sa Sabine Hossenfelder, stipendiat ved Frankfurt Institute for Advanced Studies, som ikke var en del av studien. "Det er uendelig mange partikler du kan finne opp som kan utgjøre mørk materie." Dette er bare en av dem, la hun til.
"For hver av disse partiklene kan du gjøre mange beregninger, publisere artikler og tenke ut eksperimenter, som du deretter kan prøve å få finansiering for," sa hun. "Hvis du er virkelig heldig, vil noen gjøre eksperimentet ditt - som da ikke vil finne noe."
Jakten på mørk materie
Selv om teorier spår at mørk materie eksisterer, har vi ingen anelse om hvordan det ser ut eller hvordan det er laget av. En stund var det "en vakker historie" om at mørk materie var sammensatt av et trassende, sjenert beist av en partikkel kjent som en svakt interakserende massiv partikkel, eller WIMP, sa medforfatter av den nye studien, John Terning, en professor i fysikk ved University of California, Davis.
I årevis søkte forskere på disse langsomme, ladeløse partikler ved hjelp av kraftige partikkelakseleratorer. Men som tiden gikk, utelukket fysikere flere og flere WIMP-kandidater - og den populære ideen mistet trekkraft. Selv om ikke helt utelukkes, "har de siste 10 årene tenkt på andre muligheter enn WIMP-er," sa Terning.
En annen teori foreslår at mørk materie faktisk består av lyspartikler eller fotoner.
"I tillegg til de vanlige fotonene som vi kan se, kan det være noen fotoner som vi ikke kan se," sa Terning. Disse såkalte "mørke fotonene" er hypotetiske partikler som har masse, men er lysere enn elektroner. Mørke fotoner ville samhandle - selv om de er svakt - med vanlige fotoner.
I denne nye studien bygde Terning og hans postdoktoriske forsker Christopher Verhaaren på denne teorien og foreslo at mørk materie også kan bestå av mørke halvmagneter. Disse hypotetiske halvmagneter ville være mørke versjoner av de ettertraktede monopolene eller magneter. som bare har en enkelt stolpe, fortalte fysikeren Paul Dirac først på 1930-tallet. (Til tross for flere tiår med jakt, var det ingen som har funnet bevis for dem i naturen ennå.)
Dirac foreslo imidlertid ikke bare monopol; han foreslo også at et elektron som beveger seg rundt en monopol ville bli påvirket av magnetfeltet. Så hvis Terning og Verhaarens teori stemmer, og mørke versjoner av disse halvmagnetene lurer et sted i universet - og hvis de mørke halvmagnetene fungerer som Diracs monopol - ville de også etterlate subtile ledetråder i elektronene.
Hvis det finnes mørke monopol, vil de avgi mørke fotoner som kan forvandles til vanlige fotoner før de blir absorbert av elektroner, sa Terning. Dette samspillet ville føre til at elektronene roterer eller endret kurs bare en liten bit og produserer et interferensmønster kalt Aharonov-Bohm-effekten. (Elektroner er ikke bare partikler, de er også bølger, og et interferensmønster er det som dukker opp når toppene og dalene i elektronens "bølgeforlikning" enten legger opp eller avbryter hverandre, og skaper en serie med parallelt lys og mørke streker.) Terning og Verhaaren foreslår at de kan være i stand til å oppdage denne veldig lette endringen i elektronforstyrrelsesmønstre ved hjelp av elektronmikroskop.
Spent av solen
Hvis mørk materie eksisterer, er det i oss og rundt oss - inkludert i og rundt ethvert elektronstråle-mikroskop vi vil bruke for å oppdage det. Men for å oppdage mørk materie gjennom dens forstyrrelse av elektroner, ville de rare halve magnetene som utgjør mørk materie ha et sterkt nok magnetfelt. Det betyr at disse halvmagnetene trenger mye energi.
Monopol som passerer nær solen kan bli opphisset, få mer energi og deretter komme seg ned til jorden, sa Terning. Han spår at omtrent fem av disse begeistrede monopolene om dagen ville gå gjennom noe på størrelse med det foreslåtte elektronstråle-mikroskopet. "Det er ikke verst fordi vanlige WIMP-detektorer ville være fornøyde hvis de fikk fem arrangementer per år," sa han.
I tillegg vil endringen i elektronfase forårsaket av mørke halvmagneter være så liten at vi for å oppdage den trenger utrolig høyoppløselige elektronstråle-mikroskop - de som for tiden eksisterer er sannsynligvis ikke kraftige nok . Dette elektronmikroskopet må ha en oppløsning som er fem ganger større enn den som eksisterer for tiden, sa Terning.
I alle fall håper vi å "få disse menneskene med de supre fancy elektronmikroskopene som er interessert i å søke etter dette", eller vi "må kanskje bygge et nytt bare for å sitte og vente på mørk materie," sa Terning.
De forskjellige konkurrerende teoriene om mørk materie ville fortelle oss helt andre historier om hvordan det tidlige universet dannet seg, sa han. Når du først har funnet ut hva mørk materie faktisk er laget av - enten det er lette eller tunge partikler - kan mennesker tenkelig lage fabrikker av mørke stoffer, av slags slag, her på jorden. "Hvis det er veldig lett, trenger du ikke mye energi for å produsere din egen mørke materie."
Forskerne publiserte sin studie til preprint-tidsskriftet arXiv. Det er foreløpig ikke fagfellevurdert.
