Hvordan ser det ud, når Jorden bliver bombarderet med mørkt stof?

Forskere fra Syddansk Universitet har lavet simuleringer af mørkt stof partikler, der rammer Jorden. Fysikere mener, at Jorden kolliderer med utallige mørkt stofpartikler, når den suser gennem rummet. Selvom ingen nogensinde har set disse mystiske partikler, der er ingen tvivl blandt fysikere om deres eksistens. Forskere har installeret detektorer over hele kloden i håbet om at opdage dem.

Mørkt stof partikler kan trænge igennem alle andre former for stof, hvilket betyder, at de måske endda kan krydse Jorden uden at miste nogen som helst energi. På den anden side, deres indvirkning med almindelige kan hæmme dem lidt, resulterer i tab af energi.

"Vi ved det bare ikke, og det gør det bestemt ikke nemmere at lede efter dem, sagde Timon Emken, en ph.d. studerende ved Center for Kosmologi og Partikelfysik Fænomenologi (CP3) på Syddansk Universitet. For at lære mere om, hvordan mørkt stof partikler reagerer med normalt stof, Emken fik hjælp af en supercomputer. Resultatet blev et program, der kan simulere kollisionen af ​​mørkt stof partikler med Jorden.

"Nu, Jeg kan bede computeren om at vise mig på skærmen, hvad der sker, når en mørk stofpartikel rammer Jorden. For eksempel, Jeg kan se på skærmen, hvilken bane partiklen ville tage fra den rammer vores planets overflade, til den forlader igen, " forklarede han.

Simuleringen hedder DaMaSCUS, og det giver fysikere verden over en ny mulighed for at afprøve forskellige teorier. Programmet er frit tilgængeligt, og arbejdet, der gik ind i det, er blevet offentliggjort i tidsskriftet JCAP .

I standardparadigmet, mørkt stof partikler på tværs af Jorden med en meget lav sandsynlighed for at interagere med atomer, der udgør planeten. Imidlertid, underjordiske detektorer er indstillet til at gøre netop det, dvs. at fange sjældne begivenheder af mørkt stof partikelkollisioner med et atom inde i en detektor.

"Men hvad nu hvis mørkt stof partikler ikke følger standardparadigmet? Hvad hvis de faktisk interagerer stærkt nok med almindelige atomer, at, når de krydser jordens overflade og rejser under jorden, mister de nok energi til at blive uopdagelige? I det tilfælde, vi vil aldrig opdage dem ved hjælp af standardteknikker, " sagde lektor Chris Kouvaris fra CP3.

En af de ting, han i øjeblikket undersøger, er muligheden for, at mørkt stof-partikler spredes betydeligt, når de krydser Jorden. Kouvaris og Emken brugte DaMaSCUS til at demonstrere, hvordan et sådant scenarie ville udspille sig. DaMaSCUS simulerer milliarder af mørkt stof partikler, der trænger ind i Jorden og spreder sig betydeligt med underjordiske atomer, zig-zagging efter hver enkelt kollision.

"Hvis dette er tilfældet, underjordiske spredninger af mørkt stof partikler med atomer kan få mørkt stof partikler til at miste nok energi til at kunne spores i de underjordiske detektorer, som vi installerer i dag."

Kouvaris' forslag er derfor at tage en anden tilgang til at lede efter de undvigende partikler. I dag, der er en række detektorer placeret omkring to kilometer under jordens overflade. Hvis mørkt stof interagerer svagt med almindeligt stof, som neutrinoer gør, kun disse to partikler kan trænge igennem kilometer af jordskorpen uden at blive stoppet. Dermed, deep site detektorer undgår kontaminering af signalet fra uønsket kosmisk og terrestrisk stråling og baggrundsstøj.

Imidlertid, ifølge Chris Kouvaris, hvis mørkt stof er lyst, det kunne faktisk interagere stærkt med almindelige atomer, taber energi på vej til detektoren, og dette kan gøre detektorer til dybe lokaliteter ude af stand til at fange den.

"I det tilfælde, det ville give mere mening at søge efter mørkt stof-signaler ved hjælp af detektorer på Jordens overflade, " han sagde.

For at overvinde problemet med baggrundsstøj, han foreslår, at i stedet for at prøve at skelne mørkt stof fra baggrundsstøj, forskere bør lede efter et dagligt varierende signal i overflade- eller lavdybdedetektorer.

Fordi Jorden bevæger sig i forhold til galaksens centrum, mørkt stof rammer Jorden overvejende fra én retning. Imidlertid, på grund af jordens rotation omkring sin egen akse, mørkt stof partikler, der kommer fra retningen af ​​den mørke stof vind, rejser forskellige afstande i løbet af døgnets 24-timers periode.

Jo større afstanden er tilbagelagt under jorden, jo større er sandsynligheden for underjordisk spredning. Det er det, der skaber den daglige variation af signalet. Det optimale sted at udnytte denne effekt er på den sydlige halvkugle på cirka 40 graders breddegrad, i lande som Argentina, Chile og New Zealand.

Ved at bruge DaMaSCUS, Kouvaris og Emken kan bestemme præcist amplituden og fasen af ​​dette daglige varierende signal, som kunne føre til opdagelsen af ​​mørkt stof, hvis dette scenarie viser sig at være sandt. Kouvaris samarbejder nu med mørkt stof-eksperimentet DAMIC, som har en bærbar detektor, der potentielt kan bruges til at teste Kouvaris' teorier. I den nye fase af DAMIC, den bærbare detektor vejer 1 kg. Den er lavet af silicium fremstillet af det danske firma, TOPSIL.

Det menes, at 27 procent af universet består af mørkt stof. Forskere mener, at det binder galakser sammen. Imidlertid, ingen ved rigtig endnu, hvad mørkt stof er.