Søgen efter mørkt stof

Mindst en fjerdedel af universet er usynligt.

I modsætning til røntgenstråler, som det blotte øje ikke kan se, men udstyr kan måle, videnskabsmænd har endnu ikke opdaget mørkt stof efter tre årtiers søgning, selv med verdens mest følsomme instrumenter. Men mørkt stof er så grundlæggende for fysik, at forskere støttet af Department of Energy's Office of Science søger efter det i nogle af verdens mest isolerede lokaliteter, fra dyb undergrund til det ydre rum.

"Uden mørkt stof, det er muligt, at vi ikke ville eksistere, sagde Michael Salamon, en DOE Office of Science High Energy Physics (HEP) programleder.

Office of Science støtter et omfattende program i jagten på mørkt stof og andre fænomener, der hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå, hvordan universet fungerer på sit mest fundamentale niveau.

Spor af mørkt stofs indflydelse

Det, vi ved om mørkt stof, kommer fra den måde, det har påvirket universet på næsten så langt tilbage som Big Bang. Som poteaftryk efterladt af et undvigende dyr, kosmos er fuld af tegn på mørkt stofs eksistens, men vi har faktisk ikke set selve væsenet.

Astronom Fritz Zwicky opdagede mørkt stof i 1933, da han undersøgte Coma Cluster af galakser. Han bemærkede, at de udsendte meget mindre lys, end de burde have været, i betragtning af deres masse. Efter at have kørt nogle beregninger, han indså, at størstedelen af ​​klyngens masse slet ikke udsendte lys eller elektromagnetisk stråling.

Men det var ikke kun den klynge. I dag, vi ved, at synligt stof kun udgør fem procent af universets samlede masse-energi. (Som Einsteins berømte ligning, E=mc2, Fortæl os, begreberne stof og energi er uløseligt forbundet.) Mørkt stof udgør omkring en fjerdedel af den samlede masse-energi, mens mørk energi omfatter resten.

Siden Zwickys første opdagelse, videnskabsmænd har fundet en række andre afslørende tegn. Undersøgelse af galaksers rotation i 1970'erne, astronomen Vera Rubin indså, at de ikke bevæger sig, som de "burde", hvis kun synligt stof eksisterer. Hendes opdagelse af galakse-rotationsproblemet giver nogle af de stærkeste beviser for mørkt stofs eksistens. Tilsvarende kosmisk baggrundsstråling, som har en optegnelse over det tidlige univers indprentet, afspejler mørkt stofs tilstedeværelse.

Forskere mener, at mørkt stof højst sandsynligt består af en helt ny elementær partikel, der ville falde uden for standardmodellen, som alle kendte partikler passer ind i. Det ville kun interagere svagt med andre kendte partikler, gør det meget svært at opdage. Der er to førende partikler, som teoretikere har postuleret for at beskrive karakteristikaene ved mørkt stof:WIMP'er og axioner.

Svagt interagerende massive partikler (WIMP'er) ville være elektrisk neutrale og 100 til 1, 000 gange mere massiv end en proton. Axioner ville ikke have nogen elektrisk ladning og være ekstraordinært lette - muligvis så lave som en trilliontedel af en elektrons masse.

På jagt efter mørkt stof

Ikke alene udsender mørkt stof ikke lys eller elektromagnetisk stråling, det interagerer ikke engang med dem. Faktisk, den eneste måde, hvorpå videnskabsmænd er sikre på, at mørkt stof interagerer med almindeligt stof, er gennem tyngdekraften. Det er derfor, millioner af mørkt stof partikler passerer gennem normalt stof, uden at nogen bemærker det. For at fange selv det mindste glimt, forskere bruger noget af det mest sofistikerede udstyr i verden.

Det store underjordiske xenon-eksperiment og direkte detektion

Det store underjordiske xenon (LUX) eksperiment, som kørte i næsten to år og sluttede i maj 2016, var en af ​​de mest betydningsfulde bestræbelser på direkte at opdage mørkt stof.

Direkte påvisning af en mørk stofpartikel kræver, at den støder ind i en kerne (kernen af ​​et atom) af almindeligt stof. Hvis dette sker, kernen ville afgive bare en lille smule påviselig energi. Imidlertid, sandsynligheden for at disse partikler kolliderer er svimlende lav.

Ud over, Jordens overflade har en ekstraordinær mængde radioaktiv "støj". At prøve at opdage interaktioner med mørkt stof over jorden er som at prøve at høre nogen hviske hen over lokalet i en støjende børnehave.

For at øge chancerne for at opdage en partikel af mørkt stof og kun en partikel af mørkt stof, LUX var massiv og placeret mere end en kilometer under jorden. Med en tredjedel af et ton afkølet flydende xenon omgivet af 72, 000 liter vand og kraftfulde sensorer, LUX havde verdens bedste følsomhed for WIMP'er. Den kunne have detekteret en partikel, der varierer i masse fra et par gange op til 1800 gange massen af ​​en proton. På trods af alt dette, LUX fangede aldrig nok begivenheder til at give stærke beviser for mørkt stofs tilstedeværelse.

LUX var, hvad HEP kalder et "Generation 1" direkte detektionseksperiment. Andre "Generation 1" direkte detektionseksperimenter, der i øjeblikket kører og understøttes af Office of Science, tager en lidt anden vej. PICO 60, Darkside-50, og SuperCDMS-Soudaneksperimenter, for eksempel, søg efter WIMP'er, mens ADMX-2-detektoren jagtede den anden potentielle mørkt stof-kandidat, aksionen.

Der er også "Generation 2" direkte detektionseksperimenter i øjeblikket under design, fremstilling, eller idriftsættelse, inklusive LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, og ADMX-Gen2.

Alpha Magnetic Spectrometer og indirekte detektion

Ud over, der er eksperimenter med fokus på indirekte detektion.

Nogle teoretikere foreslår, at kolliderende mørkt stofpartikler kunne udslette hinanden og producere to eller flere "normale" partikler. I teorien, kolliderende WIMP'er kunne producere positroner. (En positron er den positivt ladede antistof-modstykke til elektronen.) Alpha Magnetic Spectrometer på den internationale rumstation fanger kosmiske stråler, stumper af atomer accelereret til høje energier af eksploderende stjerner. Hvis AMS detekterer et højt antal positroner i et højenergispektrum, hvor de normalt ikke ville være, det kunne være et tegn på mørkt stof.

"AMS er et smukt instrument, " sagde Salamon. "Alle anerkender, at dette er verdens mest højpræcise eksperiment med kosmisk stråle i rummet."

Indtil nu, AMS har registreret 25 milliarder begivenheder. Det har fundet et overskud af positroner inden for det passende område, men der er ikke nok beviser til at fastslå, hvor positronerne kommer fra. Der er andre mulige kilder, såsom pulsarer.

Ud over AMS, DOE understøtter også Fermi Gamma-Ray Space Telescope, som analyserer gammastråler, når den kredser om kloden og kan tilbyde en anden vej til detektion af mørkt stof.

Mørkt stof Produktion ved Large Hadron Collider

I teorien, en partikelaccelerator kunne skabe mørkt stof ved at kollidere med standardpartikler ved høje energier. Mens speederen ikke ville være i stand til at opdage det mørke stof selv, det kunne lede efter "manglende" energi produceret af en sådan interaktion. Forskere ved Large Hadron Collider, verdens største og kraftigste partikelaccelerator, tager denne tilgang.

Erfaringer og forskningens fremtid

Indtil nu, ikke et eneste eksperiment har givet et endeligt spor af mørkt stof.

Men disse eksperimenter har ikke slået fejl – faktisk, mange har haft ret stor succes. I stedet, de har indsnævret vores søgefelt. At søge mørkt stof er som at lede efter en tabt genstand i dit hus. Mens du jager gennem hvert rum, du eliminerer systematisk steder, objektet kunne være.

I stedet for værelser, videnskabsmænd leder efter mørkt stof på tværs af en række interaktionsstyrker og -masser. "Efterhånden som eksperimenter bliver mere følsomme, vi begynder at eliminere teoretiske modeller, " sagde Salamon.

Jagten på mørkt stof er langt fra slut. Med hver bit data, vi kommer tættere på at forstå dette allestedsnærværende, men alligevel uhåndgribelige aspekt af universet.