Varför är forskare så övertygade om att det finns mörk materia, när man inte kan hitta den? Partikelfysiker Ruth Pöttgen, Wallenberg Academy Fellow vid Lunds universitet, förklarar:

– Allt handlar om gravitationen. Mätningar inom kosmologin och astrofysiken visar mycket mer gravitation än det borde finnas. Då finns det två möjliga förklaringar: att vi inte förstått hur gravitationen fungerar, eller att det finns mer materia än vi kan se.

Det finns faktiskt en del forskare som istället tror på den andra möjligheten – att det är något fel på gravitationsteorin. Men om man skulle ersätta hela den teorin behövs många olika förklaringar till olika observationer. Mörk materia skulle däremot förklara en mängd observationer på en och samma gång.

Rätt energinivå krävs

All känd materia är uppbyggd av partiklar som växelverkar med varandra. Forskarna antar att mörk materia också består av partiklar, men med oerhört svag växelverkan med omgivningen och med en hittills okänd massa. Beräkningar visar att en möjlighet är att partiklar av mörk materia väger betydligt mer än en proton. Kring den möjligheten har nästan alla experiment hittills byggts, utan framgång. En annan möjlighet återstår, nämligen att partiklarna väger mindre än en proton, någonstans mellan elektronens massa och protonens. Det är först på senare år som forskare börjat leta i det spannet, och det är vad Ruth Pöttgen vill göra.

I experimentet hon och kollegorna planerar ska elektroner skjutas mot ett väldigt tunt ark wolfram, eller något annat tungt ämne med många atomkärnor. Det finns en chans att krockarna med målet i ett fåtal fall producerar mörk materia. I så fall kommer elektronerna komma ut med lägre energi och en ny riktning utan att något annat verkar hända. Inga nya partiklar syns. Det som då bör ha hänt är att det har bildats partiklar som inte syns: mörk materia.

Om elektronernas energi är för låg uppstår dock andra processer som också ger utslag i mätningarna. Om den är för hög kan krockarna bilda en sorts superlätta partiklar kallade neutriner, som som mörk materia och skulle ”se ut” som mörka partiklar i försöket. Men vid acceleratoranläggningen SLAC i Stanford finns en elektronstråle med rätt energi. Där kommer Ruth Pöttgen och hennes grupp att utföra försöket, tillsammans med internationella kollegor.

– Det är första gången det byggs ett experiment som är så känsligt att vi kan vara tillräckligt säkra på att vi inte bara har missat något. Om ”ingenting” kommer ut trots att elektronen har påverkats så ska det faktiskt ha bildats mörk materia.

Vill minska klimatpåverkan

För en exakt mätning krävs max fem eller sex elektroner åt gången, men för tillräckliga mängder data behövs enorma mängder beskjutningar eftersom mörk materia troligen bildas mycket sällan. Totalt vill forskarna genomföra omkring tio upphöjt i sexton elektronbeskjutningar. För att experimentet inte ska ta flera decennier krävs en accelerator som kan slunga iväg elektrongrupper väldigt tätt. Acceleratorn vid SLAC kan skicka ungefär 40 miljoner elektronpaket i sekunden. Ruth Pöttgen räknar med att klara av experimentet på mindre än tio år.

Om vi skjuter in en elektron och den kommer ut igen med mycket mindre energi och en ny riktning, men inget annat händer... Så kan det bara bli om det finns nya, osynliga partiklar.

– Redan det första året kan vi få resultat som är mer känsliga än allt som finns i dag. Hittar vi verkligen något så vore det ett stort genombrott, men om vi inte ser något har vi faktiskt också fått reda på något. Då vet vi mer om vad mörk materia inte kan vara. Hela mitt fält, lätt mörk materia, kommer från att man fått nollresultat när man sökt efter tung mörk materia.

Experimentet övervakas dygnet runt. I Sverige skapas ett kontrollrum på distans, så att svenskarna kan ta de kaliforniska nattpassen. Men kollegornas sömn är inte det viktigaste skälet till att Ruth Pöttgen gör så. Istället är det ett försök att minska forskningsfältets klimatavtryck.

– Våra experiment och beräkningar kräver mycket energi och normalt reser vi dessutom mycket. Jag har väldigt svårt för det och engagerar mig i hur en mer hållbar akademi skulle kunna se ut. Med det externa kontrollrummet behöver jag och mina kollegor inte åka till Kalifornien en massa gånger för att ta vårt ansvar för experimentet.

Även i experimentdesignen har hon tänkt på hållbarheten. Det hade varit lättare att hantera mätningarna genom att skjuta färre elektroner i taget, men då hade försöket alltså krävt mycket mer acceleratortid och därmed mer energi.

Ruth Pöttgen blev intresserad av partikelfysik redan på högstadiet i Tyskland. Hon disputerade vid CERN i Schweiz och fick en postdoktorstjänst i Stockholm. När hon såg en ledig tjänst som biträdande lektor vid Lunds universitet för en forskare med någon ny inriktning kring mörk materia lät det perfekt, men hon trodde att hon var för oerfaren. Hon blev glatt överraskad när hon fick den. Nu har hon varit i Lund i åtta år.

– Det är så spännande att hitta något nytt, och även om vi inte skulle hitta något har vi lärt oss något. I forskningen har man alltid en plan, men sedan går det inte som man tänkt. Man måste hitta nya lösningar. Det skulle kunna vara frustrerande – men jag tycker att det är ganska kul och spännande! Jag är väldigt envis och ger inte upp.

Text Lisa Kirsebom
Bild Åsa Wallin