Jacob Hoover
0 
1281
27
Omtrent 80% av alt stoffet i kosmos er av en form som er helt ukjent for dagens fysikk. Vi kaller det mørk materie, for så godt vi kan fortelle at det er… mørkt. Eksperimenter over hele verden prøver å fange en bortkommen mørk materiepartikkel i håp om å forstå den, men så langt har de dukket opp.
Nylig har et team av teoretikere foreslått en ny måte å jakte på mørk materie ved å bruke rare "partikler" kalt magnoner, et navn jeg ikke bare utgjorde. Disse bittesmå krusningene kunne lokke til og med en flyktig, lett mørk materiepartikkel ut av skjul, sier disse teoretikerne. [De 11 største ubesvarte spørsmålene om mørk materie]
The dark matter puzzle
Vi vet alle slags ting om mørk materie, med det bemerkelsesverdige unntaket av hva det er.
Selv om vi ikke direkte kan oppdage det, ser vi bevis på mørk materie så snart vi åpner teleskopene våre for det større universet. Den første åpenbaringen, helt tilbake på 1930-tallet, kom gjennom observasjoner av galakse klynger, noen av de største strukturene i universet. Galaxyene som bebod dem beveget seg rett og slett for raskt til å holdes sammen som en klynge. Det er fordi galaksenes kollektive masse gir gravitasjonslimet som holder klyngen sammen - jo større masse, jo sterkere lim. Et supersterkt lim kan holde sammen selv de raskest bevegelige galakser. Enhver raskere og klyngen vil ganske enkelt rive seg fra hverandre.
Men der var klyngene, eksisterende, med galakser som surret rundt seg i dem langt raskere enn de skulle gitt klyngenes masse. Noe hadde nok gravitasjonsgrep til å holde klyngene sammen, men at noe ikke avga eller samhandlet med lys.
Dette mysteriet vedvarte uavklart gjennom tiårene, og på 1970-tallet øvet astronomen Vera Rubin ante på en stor måte gjennom observasjoner av stjerner i galakser. Nok en gang beveget ting seg for fort: Gitt deres observerte masse, burde galaksene i vårt univers ha spunnet seg fra hverandre for milliarder av år siden. Noe holdt dem sammen. Noe usett. [11 fascinerende fakta om melkeveis galaksen]
Historien gjentas over hele kosmos, både i tid og rom. Fra det tidligste lyset fra Big Bang til de største strukturene i universet, er noe funky der ute.
Søker i mørket
Så mørk materie er veldig mye der - vi kan bare ikke finne noen annen levedyktig hypotese for å forklare dataets tsunami til støtte for dens eksistens. Men hva er det? Vår beste gjetning er at mørk materie er en slags ny, eksotisk partikkel, som hittil er ukjent for fysikken. På dette bildet oversvømmer mørk materie hver galakse. Faktisk er den synlige delen av en galakse, sett gjennom stjerner og skyer av gass og støv, bare et lite fyrtårn som ligger mot et mye større, mørkere land. Hver galakse sitter i en stor "glorie" som består av zillioner på zillioner av mørke stoffpartikler.
Disse mørke stoffpartiklene strømmer gjennom rommet ditt akkurat nå. De strømmer gjennom deg. En uendelig regndusj med små, usynlige partikler av mørk materie. Men du legger ganske enkelt ikke merke til dem. De samhandler ikke med lys eller med ladede partikler. Du er laget av ladede partikler, og du er veldig vennlig med lys; du er usynlig for mørk materie og mørk materie er usynlig for deg. Den eneste måten vi "ser" mørk materie på er gjennom tyngdekraften; tyngdekraften merker enhver form for materie og energi i universet, mørkt eller ikke, så i de største skalaene observerer vi påvirkningen av den samlede massen til alle disse utallige partiklene. Men her på rommet ditt? Ingenting.
Med mindre vi håper, det er en annen måte at mørk materie samhandler med oss normal materie. Det er mulig at den mørke materiepartikkelen, uansett hvilken pokker den er, også kjenner den svake atomkraften - som er ansvarlig for radioaktivt forfall - som åpner et nytt vindu i dette skjulte riket. Se for deg å bygge en gigantisk detektor, bare en stor masse av det elementet du har hendig. Mørkstoffpartikler strømmer gjennom det, nesten alle av dem helt ufarlige. Men noen ganger, med en sjeldenhet avhengig av den spesifikke modellen av mørk materie, samvirker den forbipasserende partikkelen med en av atomkjernene til elementene i detektoren via den svake atomkraften, slår den ut av plass og gjør hele detektoren kogger.
Gå inn i magnon
Dette eksperimentelle oppsettet fungerer bare hvis mørkstoffpartikkelen er relativt tung, og gir den nok oom til å slå ut en kjerne i en av de sjeldne interaksjonene. Men foreløpig har ingen av mørkstoffdetektorene rundt om i verden sett spor av et samspill, selv etter år og år med leting. Etter hvert som eksperimentene har ligget bakover, har de tillatte egenskapene til mørk materie sakte blitt utelukket. Dette er ikke nødvendigvis en dårlig ting; vi vet rett og slett ikke hva mørk materie er laget av, så jo mer vi vet om hva det ikke er, jo tydeligere er bildet av hva det kan være.
Men mangelen på resultater kan være litt bekymringsfull. De tyngste kandidatene for mørk materie blir utelukket, og hvis den mystiske partikkelen er for lys, vil den aldri bli sett i detektorene når de er satt opp akkurat nå. Det vil si, med mindre det er en annen måte som mørk materie kan snakke med vanlig materie.
I en nylig artikkel publisert i preprint online journal ArXiv, detaljert fysikere et foreslått eksperimentelt oppsett som kan oppdage en mørk materiepartikkel ved å endre elektronspinnet (hvis mørk materie faktisk kan gjøre det). I dette oppsettet kan mørk materie potensielt oppdages, selv om den mistenkte partikkelen er veldig lys. Det kan gjøre dette ved å lage såkalte magnoner i materialet.
Lat som om du har en del av materialet ved en temperatur på absolutt null. Alle spinnene - som bittesmå små stolpe magneter - av alle elektronene i den saken vil peke i samme retning. Når du sakte hever temperaturen, vil noen av elektronene begynne å våkne, vrikke rundt og peke tilfeldig spinnene sine i motsatt retning. Jo høyere du hever temperaturen, jo mer blir elektronene slått av - og hver av disse vippene reduserer magnetstyrken med bare litt. Hvert av disse snurrede spinnene forårsaker også litt krusning i energien i materialet, og disse vingene kan sees på som en kvasipartikkel, ikke en ekte partikkel, men noe du kan beskrive med matematikk på den måten. Disse kvasipartiklene er kjent som "magnoner", sannsynligvis fordi de er som små, søte små magneter.
Så hvis du begynner med et skikkelig kaldt materiale, og nok partikler av mørkt materiale slår i materialet og vipper noen snurr rundt, vil du observere magnoner. På grunn av eksperimentets følsomhet og interaksjonens art, kan dette oppsettet oppdage en lett mørk materiepartikkel.
Det vil si hvis den eksisterer.
- 9 ideer om svarte hull som vil blåse tankene dine
- De 11 største ubesvarte spørsmålene om Dark Matter
- De 18 største uløste mysteriene i fysikk
Paul M. Sutter er astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Ditt sted i universet.
Opprinnelig publisert på .