De vill avslöja universums mörka hemlighet

Projektanslag 2019

Light dark matter

Huvudsökande:
Torsten Åkesson, professor i partikelfysik

Medsökande:
Lunds universitet
Caterina Doglioni
Ruth Pöttgen

Chalmers tekniska högskola
Riccardo Catena

Stockholms universitet
Jan Conrad

Lärosäte:
Lunds universitet

Beviljat anslag:
26 miljoner kronor under fem år

Materian vi ser runt omkring oss – den som bygger upp stolen du sitter på, blommor och stjärnor – utgör i själva verket bara en liten del av all materia i universum. Resten är något annat, som vi kallar mörk materia.

– 85 procent av all materia är mörk materia – och vi vet inte vad det är för någonting. Att försöka ta reda på det handlar om vår förståelse av världen på ett ganska grundläggande sätt, säger Torsten Åkesson, professor i partikelfysik vid Lunds universitet.

Han leder ett projekt som sammanför forskare vid Lunds universitet, Chalmers tekniska högskola och Stockholms universitet, för att på ett nytt sätt försöka lösa gåtan om den mörka materians beståndsdelar. Projektet finansieras med ett anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Jagar mörk materia

Mörk materia kallas mörk eftersom den varken skickar ut eller tar upp ljus. Men trots att den är osynlig för oss kan vi förstå att den existerar. Till exempel skulle stjärnor och galaxer inte röra sig som de gör om de inte påverkades av gravitationskraften från mörk materia.

Fenomenet mörk materia upptäcktes redan på 1930-talet. Men vad den består av är fortfarande okänt och jakten på dess beståndsdelar pågår för fullt.

Ett sätt är att försöka fånga mörk materia-partiklar när de strömmar genom jorden. De flesta passerar helt opåverkade. Men en och annan skulle kunna krocka med atomkärnor, och det pågår försök att upptäcka sådana kollisioner i stora detektorer under jorden.

Ett annat spår går ut på att tillverka mörk materia i laboratorier. Det så kallade ATLAS-experimentet på CERN-laboratoriet i Schweiz och Frankrike är ett exempel. Här får protoner som färdas i enorma hastigheter krocka med varandra, med förhoppningen att energin som då uppstår ska skapa mörk materia-partiklar.

Men hittills har försöken inte lyckats.

Lättare partiklar

Genom att anta att den mörka materian uppstod från en jämvikt mellan materia och mörk materia i det tidiga universum får forskarna en ram för vad den mörka materians beståndsdelar kan väga. Vikten är då mer än en elektronmassa men mindre än tiotals gånger en blyatoms massa.

Den tyngre delen av intervallet har utforskats ganska mycket, konstaterar Torsten Åkesson, men än så länge alltså utan att hitta det man letar efter. Därför vill han och hans kollegor undersöka möjligheten att den mörka materian består av lättare partiklar – ungefär från en elektronmassa upp till en protonmassa.

– När vi samlar all kunskap om vad mörk materia borde vara är det rimligt att leta i det här massområdet, som vi kallar lätt mörk materia.

Krävande experiment

För att skapa och detektera lätt mörk materia har Torsten Åkesson och hans kollegor utformat ett experiment som ska utföras med partikelacceleratorn LCLS-II vid SLAC National Accelerator Laboratory vid Stanford i USA. En elektronstråle ska riktas mot en tunn folie av metallen volfram. När elektronerna krockar med atomkärnor i metallen kan det ske reaktioner som skapar mörk materia.

Men det väntas hända väldigt, väldigt sällan. Forskarna räknar med att de behöver titta på ungefär 10¹⁴ – alltså en tia följd av fjorton nollor – antal krockar för att ha en chans att hitta de reaktioner de letar efter. Elektronerna får heller inte komma alla på en gång.

– Vi måste ha en stråle där elektronerna kommer skilda från varandra med 20 nanosekunder, så att vi kan titta på vad som händer vid varje reaktion. Det kräver en jämn stråle under ungefär 8-9 månader.

Det som händer i krocken registreras med detektorer av olika typer. Speciellt mäter forskarna elektronens rörelsemängd när den kommer in, jämfört med rörelsemängden när den åker ut. Om det finns en skillnad där, samtidigt som inga andra kända partiklar detekterats, kan det ha inträffat en reaktion som ger upphov till mörk materia-partiklar.

En avgörande faktor är att kunna sortera bort reaktioner där mörk materia inte produceras. De flesta är enkla att förutsäga, men eftersom forskarna tittar på så många reaktioner kan även ovanliga saker hända, förklarar Torsten Åkesson.

– Det gäller att inte missta en väldigt ovanlig, men känd fysikreaktion för en reaktion där mörk materia produceras. Det är en av de stora utmaningarna med experimentet.

Forskarna använder så kallad maskininlärning för att lära datorer att känna igen signaturer för olika reaktioner. De utvecklar modeller av fysiken som beskriver mörk materia och datasimuleringar av reaktionerna som kan ske i experimentet. De tar också fram statistiska verktyg för att kunna tolka resultaten från experimentet.

Förhoppningsvis kan kunskap från experimentet också användas för att ta reda på vilka material som är bäst att använda i framtida underjordsdetektorer, inriktade på lätt mörk materia.

Ny syn på världen

Om forskarna kan visa att den mörka materian faktiskt är lätt, skulle det vara ett bevis för att det finns en dold fysik – som knappt har kontakt med dagens kända fysiklagar – som förutom gravitation styr hur den mörka materian påverkas.

– Det skulle göra att vi får ett nytt, utvidgat sätt att se på världen, säger Torsten Åkesson.

Text Sara Nilsson
Bild Johan Joelsson samt Cern