Den frustrerende og fascinerende verden inden for forskning i mørkt stof

De fleste mennesker, der får løn, kan være ganske sikre på, at emnet for deres arbejde faktisk eksisterer. Fysikere, der studerer mørkt stof, adskiller sig fra de fleste mennesker i denne henseende. Uanset, talentfulde unge forskere fortsætter med at vie deres karriere til emnet. Hvorfor?

Det er ikke, at mørkt stof ligger og venter på at blive opdaget. Langt fra, mørkt stof som fænomen er fast etableret, og vi har masser af overbevisende beviser for, at det er fem gange mere rigeligt end dets lyse modstykke.

Hellere, problemet er, at den overvældende mængde beviser for mørkt stof udelukkende afhænger af tyngdekraftseffekter. Hvis det viser sig, at tyngdekraften virker meget fremmed end Newton forestillede sig, de effekter, vi tilskriver en partikel af mørkt stof, det kan være en hængsel. Og vi kan blive tvunget til at afvise hele hypotesen om mørkt stof til hall of fame for forældede videnskabelige teorier.

For endelig at bekræfte vores paradigme, hengivne i mørkt stof som mig selv har brug for at fange eller skabe en partikel af mørkt stof, så vi kan bevise, én gang for alle, at mørkt stof faktisk er lavet af stof.

Alt går i mørket

Så, hvordan ser mørkt stof alligevel ud? Godt, det afhænger af din præference.

Mangfoldigheden af ​​hypotetiserede kandidater til mørkt stof er virkelig forbløffende. Alvorlige udfordrere omfatter partikler med radius så store som galakser, samt ultra små partikler med radier en kvadrillion (15 nuller) gange mindre end protonen.

Det behøver slet ikke bestå af partikler, mørkt stof kan være små punkteringer i stoffets rum og tid, der kaldes ur -sorte huller.

Ethvert forsøg med at finde mørkt stof skal derfor først vælge en hypotese og fortsætte med at bevise eller modbevise det.

Imidlertid, tjeklisten over kandidater er meget lang, og mange ideer kan ikke testes eksperimentelt med den nuværende teknologi.

Den sædvanlige mistænkte er en WIMP

Partikelfysik har en lang og stolt tradition for at give hypotetiske partikler dumme navne. Et særligt fjollet eksempel er partiklen kendt som WIMP, hvilken, trods sit navn, er en af ​​de stærkeste kandidater til mørkt stof.

Det underlige klingende navn er faktisk et akronym for partikelens egenskaber:Weakly Interacting Massive Particle. Det betyder, at partiklen er massiv, så den trænger mod andre partikler eller genstande, men det interagerer kun svagt med vores synlige verden.

I de allerførste splitsekunder efter Big Bang, vores univers var engang utrolig varmt og tæt. Denne ursuppe er, hvor den formodede fødsel af WIMP fandt sted. Bevæbnet med viden om, hvordan vores univers udvides og afkøles, vi kan nøjagtigt beregne antallet af WIMP'er, der blev dannet under disse betingelser.

Bemærkelsesværdigt, denne beregning efterlader os med et antal WIMP'er, der tæt matcher den observerede mængde mørkt stof. Med andre ord, vi postulerer en partikel med de egenskaber, vi forventer at finde i mørkt stof, og uden yderligere antagelser, vores viden om universets historie betyder, at det dukker op i den rigtige mængde. Godt, det virker for godt til ikke at være sandt.

Mirakler sker ikke, ret?

Denne utrolige sammenfald af tal er, hvad tilhængerne af WIMP nidkært omtaler som "WIMP -miraklet." Mirakel er måske et for stærkt ord - men WIMP -paradigmet giver en meget enkel forklaring, der kan redegøre for alt det mørke stof på én gang, og dermed bestået testen af ​​Occams barbermaskine:Teorier med færrest antagelser er sandsynligvis korrekte.

Men hvad der er endnu bedre end dets enkelhed er, at det er testbart. Selve interaktionerne, der var ansvarlige for at oprette WIMP'erne i første omgang, lad os bygge eksperimenter for at finde dem-de såkaldte "direkte detektorer".

Desværre, detektorer bygget til at finde WIMP'er har intet fundet. Og indtil videre, det ligner "WIMP -miraklet" førte os på en årtiers lang jagt på vild gås.

Fysikere håber stadig på at opdage WIMP, men hvis det til sidst dukker op, det ville helt sikkert se anderledes ud, end vi havde forestillet os.

På den anden side, hvis WIMP aldrig dukker op, eksperimenterne med direkte påvisning vil have krydset nogle få kandidater fra tjeklisten, omend til en stor udgift. Men, som en ekstra bonus, søgningen efter WIMP'er har drevet detektorteknologi til imponerende længder. Nogle af disse fremskridt er allerede ved at blive genanvendt i andre grene af fysik, ligesom neutrinofysik. Så selv med et negativt resultat i sin primære mission, bestræbelsen på at finde WIMP har ikke været forgæves.

Occams barbermaskine skærer det ikke altid

Den synlige del af vores univers består af en meget begrænset ingrediensliste:kvarker, leptoner (såsom elektroner og neutrinoer), og fire kræfter, der tillader partiklerne at interagere. Fra disse beskedne byggesten kommer al mangfoldighed - fra stjernerne på himlen, til liv på Jorden - alt kan reduceres til komplicerede konfigurationer af disse enkle bestanddele.

Der er ingen grundlæggende årsag til, at den mørke del af vores verden skal være mindre forskelligartet end den synlige del. Man kan endda forestille sig mørkt stof, der samler sig i mørke stjerner, planeter, og liv, som eksisterer helt afsondret fra vores verden. Til dem, vi er den mørke sag.

Imidlertid, at designe eksperimenter til at lede efter mørkt stof er en praktisk sag, og det er svært at lede efter mere end én ting ad gangen. Derfor, vi har en tendens til at holde os til Occams barbermaskine og forsøge at finde de enklest mulige svar på spørgsmålet om det mørke stof.

Desværre, Occams barbermaskine er ikke en matematisk sætning, og naturen er ligeglad med, hvor "sandsynlige" forskellige teorier er ifølge fysikere. I sandhed, vores forenklede modeller af mørkt stof kan vige for en langt mere kompleks og rodet virkelighed.

I dette tilfælde, vi vil aldrig se en stor opdagelse af mørkt stof, men en gradvis forståelse af små brikker i et enormt puslespil.

Vi tror stadig, at mørkt stof er lavet af partikler, der tynges - men det eneste vi ved med sikkerhed, er, at det vil være et emne for fysikere i mange år fremover.

Der er absolut ingen garanti for, at vi vil opdage en partikel af mørkt stof. Men vi kan. Og det kan ændre vores forståelse af alt.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra ScienceNordic, den pålidelige kilde til engelsksprogede videnskabsnyheder fra de nordiske lande. Læs den originale historie her.