Nya ledtrådar om mörk materia

”Jag har gjort något fruktansvärt. Jag har uppfunnit en ny partikel som inte kan fångas in”, lär Nobelpristagaren Wolfgang Pauli ha sagt när han uppfann neutrinon 1930. Den lilla neutrala partikeln krävdes för att få ihop energiekvationen i en känd radioaktiv reaktion, ett så kallat betasönderfall. Med neutrinon som energibärare löstes gåtan om betasönderfallet, men det dröjde ytterligare ett kvarts sekel innan neutrinon faktiskt upptäcktes.

Om nu neutriner en gång har lyckats bidra till att lösa ett mysterium, kanske de kan göra det en gång till, genom att lösa ett av kosmologins största mysterier i dag: frågan om vad universums mörka materia består av. Den mörka materien är materia som inte syns men uppenbarligen finns, eftersom materien som ger ifrån sig ljus bara utgör en femtedel av all materia i universum.

Det är den mörka materien som har bidragit till att materia i rymden så småningom klumpades ihop och kunde forma de galaxer och galaxhopar som syns på vår stjärnhimmel i dag. Den mörka materien medverkar fortfarande till att galaxer håller samman i stället för att splittras vind för våg när de vrider sig runt. För att kunna göra det måste den mörka materien uppfylla vissa krav som teorin ställer på den.

Beroende på egenskaper delas kandidaterna till den mörka materien in i tre grupper: kall, varm och het mörk materia. Hittills har de populäraste förslagen gällt den kalla mörka materien. Den kan bestå av rymdobjekt som inte sänder ut ljus, som svarta hål, neutronstjärnor och bruna dvärgar, Jupiterliknande himlakroppar som är för lätta för att bli stjärnor. Flera hypotetiska partiklar har också föreslagits som kall mörk materia, med exotiska namn som supersymmetriska partiklar eller axioner. Men trots stora ansträngningar, inte minst i världens största partikelaccelerator LHC vid Cern utanför Genève, har de ännu inte dykt upp.

– Till skillnad från alla dessa partiklar, vet vi att neutrinerna faktiskt finns. De är perfekta som het mörk materia, men de är alldeles för lätta och rör sig för snabbt. Det innebär att de förstör småskaliga strukturer som uppstår tidigt under universums utveckling och kan därför inte utgöra hela den mörka materien, säger Tommy Ohlsson, professor i teoretisk fysik vid Kungliga tekniska högskolan i Stockholm.

– Däremot har vi nu en ny kandidat, de sterila neutrinerna, som skulle kunna uppfylla villkoren för varm mörk materia. De är tyngre och långsammare än de vanliga neutrinerna och har därför seglat upp som en stark kandidat för varm mörk materia. Om de finns.

Det är inte lätt att fånga ens vanliga neutriner, trots att de är universums näst vanligast förekommande partiklar, efter ljuspartikeln fotonen. Neutrinerna är så hemliga att de mycket sällan låter sig fångas i experiment på jorden, trots att de anländer hit i stora mängder från reaktioner i stjärnorna, i jordatmosfären och på jorden.

Det har också visat sig att det finns tre olika sorters neutriner, med var sin antipartikel, antineutriner. Alla dessa ingår i partikelfysikens standardmodell som beskriver universums byggstenar. Men enligt standardmodellen saknar neutrinerna massa, något som senare upptäckter har motsagt.

– Fram till juni 1998 trodde vi att neutriner inte hade någon massa, säger Tommy Ohlsson. Men det underjordiska Super-Kamiokandeexperimentet i Japan, som fångar neutriner från jordatmosfären och solen, visade att neutrinerna med största sannolikhet växlar mellan sina tre olika skepnader. På vägen till oss antar de olika form och blandar samman sina tre varianter. För att kunna göra det måste de ha massa, om än aldrig så liten.

Redan detta är ett tecken på att det finns fysik bortom standardmodellen. Denna förutsäger – alltså felaktigt – att neutrinerna helt saknar massa. Det finns inget i standardmodellen som säger att de kan skifta mellan olika sorter och inte heller att det bara ska finnas tre sorters neutriner. Frågan är alltså om även en fjärde sorts neutrino, den sterila neutrinon, ska ta plats i teorin och därmed öppna portarna till okänd fysik.

Det enklaste sättet att utöka standardmodellen är att lägga till sterila neutriner som är högerhänta. Det är en speciell egenskap hos partiklarna som beskriver hur de växelverkar med varandra, och alla hittills kända neutriner är vänsterhänta. En högerhänt neutrino skulle också kunna förklara varför de kända neutrinerna är så extremt lätta.

De skulle nämligen få sin massa genom den så kallade gungbrädesmekanismen (see-saw på engelska), där partiklarnas massa hänger ihop på ett särskilt sätt: en partikel överför massa till en annan partikel så att om den första är tung, så blir den andra lätt, ett slags gungbräda, alltså.

– Sterila neutriner kan i princip ha vilka massor som helst, men just nu är det de lätta sterila neutrinerna som vi är mest intresserade av. De skulle kunna ha en massa på cirka 1 000 eV (jämför med elektronens massa på 500 000 eV), och passa bra i några av de modeller vi arbetar med.

Flera experiment pekar mot att det finns utrymme för åtminstone en sorts neutrino till, utöver de tre redan kända. Även observationer av den kosmiska bakgrundsstrålningen tyder på att det kan finnas fyra neutrinotyper.

– De sterila neutrinerna är om möjligt ännu mer svårfångade än de redan kända neutrinerna. Alla de fyra sorterna tror vi kan blanda sig och till och med byta skepnad och övergå i varandra.

Nu kommer nya experiment som kan avgöra frågan om huruvida de sterila neutrinerna finns och om de kan utgöra den mörka materien. Ett sätt är att försöka fånga mörk materia direkt, vilket till exempel görs inne i berget i det italienska Gran Sasso-laboratoriet. Även om inget ännu har dykt upp blir gränserna för att beskriva den okända mörka materien alltmer utstakade.

Ett annat sätt är att sända neutrinostrålar över stora avstånd – mellan hundra meter och flera hundra kilometer – och se efter hur de neutriner som kommer fram skiljer sig från dem som sändes ut. Då kan konsten att byta skepnad omsättas i siffror och avslöja om en steril neutrino ingår i omvandlingsprocessen.