Nu optrappes jagten på mørkt stof

Det mørke stof er en af videnskabens største gåder. Godt 80 procent af universets stof er usynligt, og astrofysikerne ved ikke, hvad dette mystiske mørke stof består af. Men det vil måske ændre sig, når en ny generation af eksperimenter begynder at give resultater.

I USA har energiministeriet og den statslige forskningsfond National Science Foundation besluttet at støtte de tre eksperimenter LUX-Zeplin (LZ), Super Cryogenic Dark Matter Search-SNOLAB (SuperCDMS) og en opgraderet version af Axion Dark Matter eXperiment (ADMX-Gen2).

Det mørke stof er umuligt at få øje på, fordi det ikke vekselvirker gennem den elektromagnetiske kraft, der bæres af fotoner. Det udsender altså ikke synligt lys eller andre former for elektromagnetisk stråling.

Men det kan røbe sin eksistens på andre måder. I stor skala kan astronomerne se, hvordan tyngdekraften fra det mørke stof påvirker omgivelserne, men fysikerne vil rigtig gerne have et mere konkret spor efter det usynlige stof.

Her er det, at de forskellige eksperimenter kommer ind i billedet. De tre nye detektorer vil være mindst 10 gange så følsomme som de eksisterende.

WIMPs er svære at opdage

Hvis det mørke stof består af partikler, som en sjælden gang imellem vekselvirker med almindeligt stof gennem den svage kernekraft – såkaldte WIMPs, weakly interacting massive particles – så kan sporene efter et sammenstød mellem en WIMP og en almindelig atomkerne måske opdages.

For at undgå falske signaler forårsaget fra kosmisk stråling foregår jagten på WIMPs dybt under Jorden.

I LZ-eksperimentet bliver en beholder med syv ton flydende xenon anbragt i et bassin med en kvart million liter ultrarent deioniseret vand på bunden af en gammel guldmine, halvanden kilometer nede i South Dakotas undergrund. Vandet giver ekstra beskyttelse mod falske signaler, der eller kunne komme fra den naturlige radioaktivitet fra klippemassivet.

Når en WIMP rammer en xenon-kerne, er resultatet små lysglimt, som kan opfanges af følsomme fotodetektorer.

Den nye SuperCDMS-detektor skal samles to kilometer meter nede under jordoverfladen i det canadiske SNOLAB-laboratorium, som har fået plads i en nikkelmine.

Her håber de amerikanske forskere, at de kan måle, når WIMPs kolliderer med atomkerner i germanium-krystaller, der er nedkølet til en temperatur på 10 mikrokelvin – tæt på det absolutte nulpunkt. En kollision vil sætte gang i vibrationer i krystallen, og disse uhyre svage vibrationer kan måles.

SuperCDMS vil bedst kunne detektere forholdsvis lette WIMPs, mens det internationale LZ-eksperiment med deltagelse af forskere fra USA, Storbritannien, Portugal og Rusland også kan fange de tungere af slagsen.

Magnetfelt kan få axioner til at henfalde

Men det er slet ikke sikkert, at det mørke stof består af WIMPs. En anden type hypotetiske partikler, der kandiderer til at være mørkt stof, kaldes axioner. Og det er spor efter disse axioner, forskerne bag ADMX-Gen2 vil lede efter.

Teorien siger, at axioner kan henfalde til fotoner – men også, at det sker uhyre sjældent. I et kraftigt magnetfelt er axionerne dog mere tilbøjelige til at henfalde til mikrobølge-fotoner, så i ADMX-Gen2-detektoren vil forskerne prøve at indfange, forstærke og måle de svage mikrobølger, som måske dukker op som resultatet af axion-henfald i et magnetfelt.

Europæerne vil ikke stå tilbage for USA, når det gælder jagten på mørkt stof, så her er der også nye eksperimenter på vej. Eureca (European Underground Rare Event Calorimeter Array) bliver Europas svar på SuperCDMS, mens Darwin (Dark Matter WIMP Search in Noble Liquids) vil minde om LZ.

Desuden håber forskerne, at mørkt stof dukker op i partikelacceleratoren LHC, der starter op igen i 2015.

Hvis det mørke stof rent faktisk er WIMPs eller axioner, bør partiklerne give sig til kende i den nye generation af detektorer i løbet af det næste årti. Hvis det ikke sker, skal de teoretiske fysikere tilbage til tegnebrættet.