Ingen har ännu lyckats visa vad mörk materia består av trots att den tycks utgöra över 80 procent av universums massa. Vid Stockholms universitet byggs en ny sorts sensor med siktet inställt på den hypotetiska partikeln axionen. Om den osynliga partikeln verkligen existerar kan den ge lösningen på gåtan med mörk materia.
Projektanslag 2022
Tuning into Dark Matter
Huvudsökande:
Dr. Jón Gudmundsson
Medsökande:
Stockholms universitet
Jan Conrad
Frank Wilczek
Lärosäte:
Stockholms universitet
Beviljat anslag:
27,5 miljoner kronor under fem år
Idén bakom universums mörka materia tillskrivs den österrikiska astronomen Fritz Zwicky. I början av 1930-talet gjorde han observationer som visade att galaxer i galaxhopar rörde sig för snabbt. Hans förklaring var att det måste finnas en osynlig materia som ger galaxerna den nödvändiga gravitationskraften.
Den osynliga materian fick namnet mörk materia eftersom den varken interagerar med ljus eller elektromagnetisk strålning. Sedan upptäckten för snart etthundra år sedan har forskare samlat en rad bevis för att mörk materia existerar.
– Vi ser förekomsten av mörk materia i många helt oberoende astrofysiska observationer: i galaxers rotationskurvor, gravitationsböjning av ljus runt stora galaxhopar och den kosmiska bakgrundsstrålningen – det äldsta ljuset i universum. Men vi vet fortfarande inte vad mörk materia är, säger Jón Gudmundsson vid Stockholms universitet.
En ny misstänkt
I jakten på den mörka materian har det funnits flera misstänkta. De flesta har varit hypotetiska partiklar med egenskapen att de växelverkar mycket svagt med sin omgivning. Ett projekt med finansiering från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse tar sikte på axionen, en partikel som infördes teoretiskt av de nobelprisade fysikerna Frank Wilczek och Steven Weinberg.
Men än så länge har ingen lyckats visa att axioner verkligen existerar. Och de senaste åren har det väckts tvivel om forskarna verkligen letar på rätt sätt. Nyligen visade forskare vid University of California, Berkeley, simuleringar över universums utveckling strax efter Big Bang. Samma tidpunkt då axionerna ska ha uppstått.
– De teoretiska simuleringarna indikerade att vi bör söka efter axioner med högre massa än vad vi tidigare letat efter. Men eftersom det är så mycket svårare att genomföra experimentellt så har det skapat mycket huvudbry för astrofysiker.
I sökandet efter axionen krävs det att forskarna konstruerar en detektor med helt rätt egenskaper. När axioner rör sig genom starka magnetfält kommer vissa av dem att frisätta ljuspartiklar, eller fotoner, som kan detekteras. Men har axionen en större massa än vad man tidigare trott, krävs mycket mindre detektorer för att lyckas – så små att det blir svårt att uppfatta de svaga signaler som blir resultatet av försöken.
Nyligen publicerades dock en möjlig lösning av Frank Wilczeks forskargrupp vid Stockholms universitet. Deras idé är att fylla detektorn med trådar av ett metamaterial – ett konstgjort material vars fysiska egenskaper mer eller mindre kan skräddarsys. Trådarna kan göra det lättare att få axioner med en högre massa att vibrera vilket skulle ge upphov till fler signaler. Men att bara fylla detektorn med trådar räcker inte riktigt, berättar Jón Gudmundsson.
– Eftersom ingen vet exakt vilken massa som en axion har så måste vi kunna justera detektorns känslighet för olika massor under experimentet. Lite som att vrida på ratten hos en äldre radioapparat för att söka igenom ett band av frekvenser.
Flera versioner redo
Jón Gudmundsson tar med oss ner i källaren på Albanova där forskargruppen har sitt labb. På en arbetsbänk i den fönsterlösa lokalen står flera versioner av detektorn uppställda. Här arbetar en grupp doktorander och postdoktorer med att utveckla och testa olika lösningar för att påverka känsligheten hos detektorn. Bland annat med hjälp av ett nätverk av kopparsträngar som kan roteras vilket påverkar resonansläget hos själva metamaterialet.
– När vi har byggt en väl fungerande detektor så ska vi skicka den till Yale University där den placeras i ett mycket starkt magnetfält och kyls ned till kryogena temperaturer. Därefter kan vi starta sökandet efter axionen, säger Jón Gudmundsson.
Projektet drivs inom ramen för det internationella konsortiet Alpha, Axion Longitudinal Plasma Haloscope, som involverar tio forskningsorganisationer och närmare 50 personer.
– Vi hoppas ha ett fungerande experiment redo om ungefär tre år. För att lyckas krävs en kombination av hårt arbete, uppfinningsrikedom och investeringar, men förmodligen också en hel del tur.
Om existensen av den svårflörtade axionen kan bevisas, kommer det inte bara att ge svaret på gåtan med mörka materia; det kommer också att lösa ett annat grundläggande problem inom partikelfysiken, nämligen en elektromagnetisk egenhet hos neutroner.
– Faktum är att varje kubikcentimeter av rummet där vi sitter kan vara fylld av biljontals axioner utan att vi ser dem. Om det är så behöver vi förstå vilka konsekvenser det har för all grundläggande teori, säger Jón Gudmundsson.
Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström
