Lille, mørkt og forvirrende:de fem bedste kandidater til mørkt stof

Hvad hvis det univers, vi kender, kun er en lille del af et større, for det meste usynligt univers, og den eneste måde vi kan interagere på er via tyngdekraften?

Dette er blot en af ​​de ideer, som fysikere forfølger i deres søgen efter at løse mysteriet med mørkt stof.

Jeg elsker tanken om mørkt stof. For mig, det er den ultimative gåde. Jeg mener, vores univers indeholder protoner og neutroner og elektroner, og det er fantastisk. Alt dette 'normale' stof er den grundlæggende ingrediens i alt fra Brad Pitt til intergalaktiske gasskyer. Normalt stof udøver også en tyngdekraft, og det er også fantastisk. Tyngdekraften forhindrer min kaffe i at flyde væk og forhindrer galakser i at snurre fra hinanden.

Alvorlig mangel

Men når du lægger alle partiklerne sammen i alle galakserne i universet, der er bare ikke nok til at producere al tyngdekraften i universet. Der er alt for meget tyngdekraft og langt fra nok stof.

For at vores univers skal give mening, den har brug for en hel ladning af noget ekstra for at kompensere for gravitationsmanglen.

At noget ekstra viser sig at være op til 80% af stoffet i vores univers. Vi kalder det 'mørkt' stof:partikler, vi ikke kan se og ikke forstår, men som bringer nok tyngdekraft til at balancere bøgerne.

Jagten på forsvundne stof

Vi har ledt efter direkte beviser for mørkt stof i årevis, men intet fundet. Bare rolig:vi vidste, at det ville blive vanskeligt. Forskere mener, at mørkt stof stort set ignorerer normalt stof og lys.

"Mørkt stof partikler kan være overalt omkring os, men de interagerer bare ikke elektromagnetisk, " siger Vid Iršič, en University of Washington-forsker og ekspert i mørkt stof. "De kunne kun interagere gravitationelt."

Pas på! Neutrinoer passerer igennem

Selvom det lyder mærkeligt, der er allerede præcedens for partikler, der ikke spiller godt sammen med andre. De kaldes neutrinoer.

"Neutrinoer er meget, meget lette partikler, der interagerer meget svagt, " siger Vid. "De kommer fra stjernerne. Neutrinoer fra vores sol passerer gennem jorden i deres milliarder hvert sekund, på tværs af hver kvadratcentimeter."

Disse partikler passerer gennem dig lige nu, men deres interaktioner er så milde, at du ikke mærker noget. Alligevel er neutrinoer som store messingbands sammenlignet med mørkt stof.

Så hvad er mørkt stof partikler?

Der er masser af teorier og eksperimenter, der leder efter mange forskellige partikler i kapløbet om at løse mysteriet med mørkt stof. Nedenfor skitserer vi Vids personlige top fem kandidater for mørkt stof, fra mest sandsynligt til mindst sandsynligt. Tænkehætter på.

Kandidat #1:Svagt interagerende massive partikler (eller WIMP'er)

Svagt interagerende massiv partikel er en samlebetegnelse for en flok partikler, der passer til denne beskrivelse. 'Svagt interagerende' betyder, at de ikke interagerer meget med normalt stof eller lys. 'Massive' betyder, at de er større end massen af ​​en proton.

WIMP'er er populære, fordi de er blevet uafhængigt forudsagt af et par forskellige partikelfysiske teorier. Og på grund af WIMP-miraklet. Miraklet er, at disse teorier også forudsiger den samlede masse af WIMP'er, og det er omtrent den samme masse som den, der kræves for at forklare al den ekstra tyngdekraft. Sammentræf? Måske ikke.

Kandidat #2:Axions

Axioner er en teoretisk partikel, vi drømte om for at løse et uløst problem inden for kvantedynamik. Specifikt, deres eksistens ville hjælpe med at forklare særheder i vores forståelse af kvarker, og hvordan de hænger sammen for at danne protoner og neutroner. Men det er en helt anden historie...

Hvis der findes aksioner, de ville også sætte kryds ved nogle felter for mørkt stof. De forventes kun at interagere svagt med almindeligt stof og lys. Og de ville være lige den rigtige størrelse til, at vi har savnet dem (indtil videre). (den størrelse, hvis du undrer dig, er et sted mellem 2 og 100 mikro-elektron-volt (og en mikro-elektron-volt er 1,78×10 ^-42 kilo).

Axions er også super-fantastiske. En aksion henfalder til to fotoner. Plus du kan lave en axion ved at kombinere to fotoner. Vi håber, at dette vil hjælpe os med at opdage dem om lidt. I april, Vids universitet meddelte, at det nu kan søge mere følsomt end nogensinde før efter tegn på axion-henfald.

Kandidat #3:Ultralet skalar mørkt stof

Denne kandidat er et relativt nyt barn på blokken. Det er også kendt som ultralette aksioner, fuzzy mørkt stof eller bølge mørkt stof.

Hvis det findes, det er super-duper lys, noget i retning af 10 ^-22 elektron-volt. Og fordi det er så let, den opfører sig på en måde, der passer til strengteori og kvantemekanik. Tanken er, at når du får en hel galakse-belastning af disse partikler sammen, de opfører sig mere som en bølge end en snurrende kugle.

Du ender med små partikler, der kombineres til en bølge, der strækker sig over tusindvis af lysår. Ikke underligt, at de er svære at finde.

Kandidat #4:Sterile neutrinoer

Mørkt stof kunne også være en særlig form for neutrino, hvilket er svært, fordi neutrinoer allerede er specielle. De kommer i forskellige smagsvarianter (elektron, muon og tau), og de kan skifte mellem smagsvarianter, når de rejser gennem rummet. Plus, de er minimalt interaktive og superlette.

Mørkt stof neutrinoer, hvis de findes, er neutrinoens meget tungere fætter. Kaldes sterile neutrinoer, de forventes kun at interagere med normalt stof, når de skifter mellem smagene.

Kandidat #5:Selvinteragerende mørkt stof

Dette er en stadig mere populær mulighed. Hvad hvis der ikke kun er én type mørkt stof partikel, men mange?

Ligesom normalt stof har en hel masse forskellige partikler, sådan kunne mørkt stof også. Men fordi normale partikler og mørke partikler ikke interagerer meget, vi ved det måske aldrig. Måske ville den eneste måde vi kunne observere disse partikler på være indirekte, gennem deres gravitationseffekt på kosmos udvikling. Tænkehætter eksploderer.

"Det er ret fascinerende, " siger Vid, i hvad der kunne være verdens største underdrivelse.

"Flere og flere mennesker tror, ​​at mørkt stof ikke kun er en partikel, men en samling af partikler, måske i et spejlbillede af den verden, vi kender. De standardpartikler, vi kender, men afbrudt fra os bortset fra tyngdekraften og ikke interagerer med os på nogen anden måde."

Usynligt mysterium

Vil vi nogensinde opdage, hvad mørkt stof egentlig er lavet af? Godt, vi vil give det vores bedste chance. Tusindvis af videnskabsmænd rundt om i verden søger efter tegn, afprøve nye ideer og udvikle åndssvage teknologier.

Vi plejede at tro, at verden var flad. Og at vores univers var synligt. Hvad vil de næste årtier bringe?

Denne artikel dukkede først op på Particle, et videnskabsnyhedswebsted baseret på Scitech, Perth, Australien. Læs den originale artikel.