At finde mørkt stof i mørket

Mørkt stof er det mystiske materiale, der holder universet sammen, dog har ingen set det; eller hørt, lugtede, enten smagt eller rørt ved det.

Men det kan snart ændre sig og et laboratorium 1000 meter under jorden i Stawell-guldminen halvvejs mellem Melbourne og Adelaide kunne være epicentret for denne opdagelse.

Fysikere har haft et godt løb for nylig med at opdage det tilsyneladende uopdagelige. Først var der Higg's Boson, bekræftet af eksperimenter ved Large Hadron Collider i 2012, næsten 50 år efter dens eksistens første gang blev foreslået. Så i 2015 fandt LIGO-detektorerne gravitationsbølger, et århundrede efter, at Einstein forudsagde dem. Begge opdagelser blev belønnet med Nobelpriser.

Hvis alt går efter planen, i de næste par år vil mørkt stof bevæge sig fra det hypotetiske til det observerbare, åbner en ny æra i eksperimentel fysik, og et stort skridt hen imod en grundlæggende naturteori.

Professor Elisabetta Barberio leder den australske indsats for at opdage mørkt stof, som direktør for Center for Mørkt Stof Partikelfysik. University of Melbourne fysiker siger, at Australien er unikt positioneret til at bekræfte eksistensen af ​​mørkt stof.

Hvordan ved vi, hvad vi leder efter?

Det startede med nogle simple beregninger baseret på Newtons tyngdelov.

"Hvis jeg ser på solsystemet, der er solen og alle planeterne, og hvis jeg kender en planets hastighed og dens afstand fra solen, Jeg kan beregne solens masse, " siger professor Barberio.

"Vi kan gøre det samme med vores galakse. Vi kan tage en stjernes bevægelse, og, at kende stjernens afstand fra galaksens centrum, vi kan beregne, hvor meget materiale der er i galaksen.

"Når vi laver denne beregning, mængden af ​​materiale, som vi ser, og mængden af ​​materiale, der skulle være der ved vores beregninger, stemmer ikke overens. Vores beregninger siger, at der er meget mere materiale i galaksen, end hvad vi kan se. Og det her er mørkt stof."

Fysikere tror, ​​at mørkt stof består af en endnu ukendt fundamental partikel, der ikke har nogen elektrisk ladning, producerer ikke lys, og interagerer ikke særlig meget med noget. Men de tror også, at der vil være en lejlighedsvis interaktion, som vi måske kunne opdage, givet det rigtige udstyr og den rigtige placering.

"Vi ved, at der er meget mørkt stof i galaksen – mellem 70 og 80 procent af materialet i galaksen er mørkt stof, " siger professor Barberio, "og så hvert sekund gennemløbes vores kroppe af milliarder af disse partikler af mørkt stof, som ikke gør os noget. Vi er gennemsigtige over for disse partikler."

"Imidlertid, vi synes, at meget, meget sjældent, en partikel af mørkt stof interagerer med kernen af ​​et atom i et materiale, som vi kan se - det vi kalder normalt stof."

Problemet er, at andre ting også interagerer med atomkernerne; især kosmiske stråler og radioaktivitet.

"Sandsynligheden for, at mørkt stof interagerer med min kerne, er én hændelse pr. 10 kg materiale pr. dag, " siger professor Barberio. "Sandsynligheden for, at radioaktivitet eller kosmiske stråler interagerer med min kerne er 10 milliarder gange pr. 10 kg materiale pr. dag."

Med andre ord, 1 ud af 10 milliarder af disse interaktioner er mørkt stof, gør det umuligt at skelne noget signal fra støjen.

Går under jorden

For at forbedre disse odds er vi nødt til at reducere antallet af andre interaktioner, der forekommer. Det første skridt er at gå under jorden – langt under jorden. Kosmiske stråler absorberes af sten, så hvis du går dybt nok kan du reducere disse til næsten nul.

"Ved at gå under jorden har vi allerede elimineret et par milliarder interaktioner, " siger professor Barberio.

"Og så skal vi også fjerne al den resterende radioaktivitet i det materiale, vi bygger vores detektor af, for selvom vi tager en banan ind i vores laboratorium, det vil have så meget radioaktivitet, at der vil være et par tællinger, nogle få interaktioner, Per dag, med mine kerner, og det vil skygge for mørkt stof."

"Vi vælger det rigtige materiale, eller bygge et materiale med meget lav radioaktivitet, og så bygger vi vores detektor under jorden, og vi begynder at vente, og tæl hvor mange gange der er denne interaktion."

Der findes adskillige underjordiske mørkstofdetektorer, og man hævder endda at se mørkt stof. Gran Sasso-laboratoriet, bygget inde i et bjerg i Italien, sporer, hvad de siger, er den årlige modulation af mørkt stof, der ankommer til Jorden.

Når jorden går rundt om solen, dens hastighed i forhold til galaksens centrum ændrer sig. I juni rejser Jorden rundt i galaksen med omkring 260 km i sekundet, hvorimod det i december er mere som 200 km i sekundet. Derfor forventer vi, at Jorden bliver ramt af mere mørkt stof i juni end i december. Og det er, hvad Gran Sasso-holdet observerer i deres data.

"Hvis du er på en cykel, og du kører hurtigere eller langsommere, har du mere eller mindre vind, " siger professor Barberio.

Australiens mørkestofdetektor

Sæsonbestemte ændringer, fra sommer til vinter, kunne også føre til en cyklus i hastigheden af ​​interaktioner på mørkstofdetektorerne. Og det er her, Australien kommer ind.

For at fjerne denne potentielle fejl, vi er nødt til at gentage eksperimenterne på den sydlige halvkugle, hvor årstiderne er vendt. Hvis vi ser et årstidsmønster, med et højdepunkt om sommeren og et minimum om vinteren, så skal dataene fra Italien genovervejes. Hvis vi ser det samme årlige mønster, imidlertid, med et højdepunkt i juni og et minimum i december, dette kunne være beviset, der endelig bekræfter eksistensen af ​​mørkt stof.

Stawell-guldminen i det vestlige Victoria er et af de få steder i Australien, der kan huse en mørkstofdetektor.

"Du skal finde en meget dyb mine eller et meget højt bjerg, " siger professor Barberio.

"Vi har ikke særlig høje bjerge, så vi var nødt til at finde en mine. Der er meget få miner i Australien, der har den nødvendige dybde og den nødvendige adgang. Heldigvis, vi har stor støtte fra mineejerne og det lokale Stawell-samfund til vores laboratorium."

Professor Barberios team håber, at Stawell Underground Physics Laboratory vil være oppe at køre i år. Dette vil være den første mørkstofdetektor på den sydlige halvkugle, og, kombineret med data fra andre detektorer rundt om i verden, kunne endelig bekræfte eksistensen af ​​mørkt stof.