Nya metoder i jakten på mörk materia

Det krävs en alldeles särskild typ av ihärdighet för att söka efter en partikel med okända egenskaper, som ingen ens vet om den finns. De forskare som söker efter partikeln som kan utgöra universums okända mörka materia har år efter år fått nöja sig med att gång på gång hitta absolut ingenting. Sökandet har ändå inte varit helt resultatlöst, för de har kunnat utesluta vissa möjliga varianter av den okända partikeln – men fortfarande har de inte kommit närmare att säga vad den faktiskt är.

Det betyder att ingen vet vad största delen av universums materia egentligen består av.

Caterina Doglioni, partikelfysiker och universitetslektor vid Lunds universitet, låter sig inte nedslås. Hon arbetar med datorkod för att sålla fram information och identifiera partiklar ur ett stort experiment vid partikelacceleratorn på Cern i Schweiz, och fokuserar bland annat på mörk materia.

Hon är redo att tänka nytt:

– Den enklaste möjliga partikeln i den version som vore lättast att hitta, den har vi inte hittat. Vad gör man sedan?

Ja, inte ger de upp i alla fall, forskarna som söker efter mörk materia. Många sysslar med att försöka komma på nya idéer om vad den mörka materian kan bestå av och hur de kan fånga in och identifiera den. Kanske kan den vara nyckeln till en hittills helt dold sektor av ny fysik, bortom partikelfysikens standardmodell. Ett av de nytänkande experimenten heter LDMX och utvecklas vid Lunds universitet under ledning av professor Torsten Åkesson. Experimentet ska sedan köras vid partikelacceleratorn vid Stanford university i USA.

Men innan vi kommer till detaljerna om experimentet finns en viktig fråga att ta upp. Vad är det som motiverar forskarna att fortsätta leta så enträget? Hur kan de vara så övertygade om att det alls finns något att hitta?

Torsten Åkesson säger att det finns väldigt starkt stöd från astronomiska observationer:

– Om vi bara utgår från gravitationen så som vi känner till den och som den beskrivs i den allmänna relativitetsteorin, då är det ingen tvekan om att det finns mörk materia.

Det handlar om fenomen med vitt skilda storleksskalor. Galaxer roterar så snabbt att de inte skulle kunna hållas ihop utan gravitationen från någon osynlig massa – de synliga stjärnorna och gasmolnen räcker inte till. Samma sak är det med många galaxhopar, där de ingående galaxerna rör sig så fort att hopen skulle flyga isär om det inte finns mer massa i hopen än den vi kan se. Variationerna i den kosmiska bakgrundsstrålningen från universums tidigaste barndom ger också stöd för att det finns mer massa än den som alla atomer innehåller.

– Alla de här sakerna förklaras av mörk materia, trots att det är ganska olika fenomen och trots att längdskalorna är olika, säger Torsten Åkesson.

Det finns alltså två alternativ: Antingen fungerar gravitationen på något annat sätt än vetenskapen i dag känner till, eller så är rymden fylld av okända och osynliga partiklar. Ingen vet vilket av alternativen som är rätt. Eftersom mörk materia fungerar så pass bra för att förklara observationerna finns det alltså anledning att fortsätta leta efter en okänd typ av materiapartikel – en som inte växelverkar med ljus och därför inte går att se med teleskop. Beräkningar visar att det borde finnas mer än fem gånger mer av denna okända materia än av vanlig materia.

Numera finns det enorma simuleringar av hur den ursprungliga gasen i universum började förtätas i vissa områden så att galaxer kunde bildas. Tätare områden har starkare gravitation och drar till sig mer gas. I simuleringarna kan inte strukturerna bildas på rätt sätt utan hjälp av mörk materia. För att det ska fungera behövs en speciell form av mörk materia-partiklar som inte rör sig alldeles för fort. Den mörka materian måste vara ”kall” för att kunna hjälpa den vanliga materian – atomer och molekyler – att klumpa ihop sig så att stjärnor och galaxer uppstår. Det här argumentet medför att mörk materia-partiklarna inte kan vara alltför lätta. Annars har många funderat på om den spöklika partikel som kallas neutrino (se F&F 4/2020) skulle kunna vara den mörka materian. Men neutriner är så lätta att de flyger omkring för snabbt och kan inte uppföra sig som kall mörk materia. Det måste alltså finnas något annat.

– För att få en vägledning till vad det kan vara kan vi se på den mörka materians ursprung, säger Torsten Åkesson.

I början, när universum var mycket litet och sammanpressat, var det mycket hett och alla partiklar kolliderade ständigt med varandra. Partiklar slogs sönder, nya uppstod, instabila partiklar sönderföll, partiklar och antipartiklar möttes och förintade varandra. Om den mörka materian består av partiklar som ingick i de här processerna skulle dessa också ha uppstått och förintats i det heta och kaotiska tillståndet. Materia gav upphov till mörk materia, och mörk materia gav upphov till materia.

– Och det här gick fram och tillbaka. Det kallar man för termiskt ursprung, säger Torsten Åkesson.

När universum utvidgades och kyldes spreds partiklarna ut och de här processerna upphörde eftersom partiklarna så sällan stötte på varandra. Det som då fanns kvar är i stort sett samma materia som nu fyller universum och bygger upp dess strukturer. Det mesta av den ”vanliga”, synliga, materian är atomer som byggs upp av protoner och neutroner i kärnan, och av elektroner som bara har en tvåtusendel av protonens massa. Om den mörka materian har termiskt ursprung visar beräkningar att den behöver bestå av partiklar med en massa som är någonstans mellan elektronens massa och hundratusen gånger större än protonens.

Hittills har sökandet fokuserat på den övre delen av detta möjliga intervall, från några gånger protonens massa upp till hundratusentals gånger så mycket. Det fanns nämligen en idé om vad den mörka materian borde vara, som verkade så rimlig att den dominerade hela sökandet efter mörk materia från slutet av 1990-talet. Tanken var att det måste vara en svagt växelverkande massiv partikel, en wimp (weakly interacting massive particle). Det skulle alltså vara en partikel som – förutom genom gravitation – kopplar till annan materia endast genom den svaga växelverkan som ofta går under det diffusa namnet ”den svaga kärnkraften”. Den här kraften är svår att få grepp om, eftersom de mest vardagliga processer där den ger sig till känna är vissa kärnsönderfall.

När fysiker beräknar hur mycket som skulle bildas av en okänd partikel med svag växelverkan, kommer de fram till rätt mängd för att denna okända partikel skulle kunna utgöra den mörka materian. Resultatet passar faktiskt så bra att det har kallats för ”wimp-miraklet”.

Många forskargrupper tävlar om att hitta dessa wimpar. Sökandet har följt olika huvudspår. Några har sökt efter tecken på att wimpar kolliderar med varandra eller med andra partiklar och ger upphov till sekundär strålning – det kallas indirekt detektion. Andra har byggt avancerade apparater som isoleras i underjordiska laboratorier, för att genom direkt detektion fånga de mörk materia-partiklar som passerar genom jorden. Eftersom de växelverkar så lite med vanlig materia förväntas de nämligen finnas lika mycket inuti planeten som i rymden runtomkring. Åter andra har gjort som Caterina Doglioni, och försökt se om de kan skapa partiklarna i partikelkollisioner vid acceleratorexperiment, och fånga upp tydliga tecken på att de har uppstått bland alla andra partiklar.

Alla de här formerna av sökande pågår fortfarande. Bland annat är svenska forskare inblandade i experimentet Xenon vid det italienska Gran Sasso-laboratoriet. De använder flera ton av ädelgasen xenon för att försöka se de sällsynta händelser då en möjlig mörk materiapartikel kolliderar med en atomkärna och ger en rekyl som går att mäta.

Samtidigt försöker nu många fysiker hitta nya infallsvinklar på problemet. En av dem är den teoretiska fysikern Riccardo Catena, docent vid Chalmers tekniska högskola.

– Kanske av frustration över att inte kunna fånga den där mörk materia-partikeln finns det numera ett mer experimentdrivet sätt att närma sig frågan, säger Riccardo Catena.

Alla experiment som redan gjorts har utformats för att kunna upptäcka vissa kombinationer av den mörka materians egenskaper. Det som i första hand påverkar vilka partiklar som går att upptäcka är deras massa och styrkan på deras växelverkan med den vanliga materian. De som söker efter partiklar som passerar genom jorden gör också vissa antaganden om hur den mörka materian är fördelad i galaxen och i solsystemet, och hur fort partiklarna rör sig. Varje experiment har en viss känslighet, och fysikerna vet precis vilka egenskaper de skulle kunna upptäcka. Eftersom de inte har sett något kan de utesluta de kombinationer av egenskaper som de vet att de kunde ha sett. Det finns mycket färre möjligheter kvar i dag, men forskarna vet också vilka egenskaper de inte har kunnat söka efter ännu.

– Och om vi kan undersöka det, ja, då gör vi det, säger Riccardo Catena.

Därför börjar de nu utforska det nedre området av det massaområde som tillåts i ett termiskt ursprung, men som inte täcks av sökandet efter en wimp. Det handlar alltså om möjliga partiklar med en massa mellan elektronens och upp till ungefär protonens massa, som är omkring 2 000 gånger större. Det är precis en sådan lätt mörk materia-partikel som Torsten Åkesson och hans forskargrupp vill söka efter med sitt nya experiment, LDMX. Riccardo Catena samarbetar också med dem.

Partikelfysiker har länge vetat att deras standardmodell för fundamentala partiklar och krafter inte är fullständig, och därför söker de efter ny och okänd fysik. Hittills har de gått bet, men det finns några olika experiment som gett kittlande antydningar om öppningar för att hitta något nytt.

– De tecknen tycks komma i låg energiskala och inte hög. Det är bland annat en del sönderfall av atomkärnor som visat antydan till resonans vid låg energi, och det uppmätta värdet på myonens magnetism, säger Torsten Åkesson.

Låga energier motsvarar låga massor, så det skulle passa bra ihop med en lätt mörk materiapartikel. Kanske finns det till och med en hel dold sektor av nya partiklar och växelverkningar vid denna energiskala, som skulle kunna gå att upptäcka genom att hitta dess koppling till standardmodellens partiklar.

När Torsten Åkesson ska förklara idén bakom det nya experimentet går han tillbaka till vad som kan ha försigått i det tidiga universum där partiklar bildades och förintades. I det heta tillståndet måste det ha funnits processer där en riktigt lätt mörk materia-partikel skulle kunna skapas ur vanliga partiklar, och förintas och i sin tur ge upphov till de vanliga partiklarna igen. Av alla partiklar i partikelfysikens standardmodell är det den vanliga elektronen som passar och kan ingå i processen. Och i så fall måste det gå att använda samma process för att skapa mörk materia i laboratoriet.

– Har vi den mekanismen, då måste vi kunna skapa partikeln. Det är det som experimentet bygger på, säger Torsten Åkesson.

Försöket att skapa mörk materia börjar med en elektronstråle som riktas mot ett tunt mål av volfram. Det elektriska fältet nära en atomkärna i målet kan göra det möjligt för en del av elektronens energi att ge upphov till den sökta, okända partikeln – eller strikt formulerat, ett par med en partikel och en antipartikel av mörk materia.

– Vi pratar om precis samma fysik och samma komponenter som i det tidiga universum, säger Torsten Åkesson.

Samtidigt länkas elektronen av från sin ursprungliga bana.

Så här långt fungerar resonemanget helt utan specifika antaganden om hur dessa partiklar fungerar. För att kunna avgöra vad som krävs för att experimentet ska lyckas måste forskarna göra en modell där de kan räkna på processerna.

– Det vi kan göra är att gå tillbaka och titta på hur mycket materia det finns. Och så kan vi räkna ut styrkan på kopplingen mellan den mörka materian och den kända materian för att vi ska ha fått den mängd mörk materia som syns i astronomiska observationer, säger Torsten Åkesson.

Den här kopplingen ger ett mått på hur känsligt experimentet måste vara. Det förväntade värdet varierar med massan på den okända partikeln, och det ger ett intervall av vad forskarna förväntar sig att experimentet måste kunna klara. På så vis har de räknat ut att det behövs mellan hundra biljoner och tiotusen biljoner elektroner (10¹⁴ till 10¹⁶) för att få tillräckligt många mörk materia-partiklar för att kunna avgöra att de faktiskt fanns där.

Men det finns en ytterligare komplikation. Forskarna kan inte fånga in de skapade partiklarna.

Den ytterst lilla kopplingen mellan mörk materia och vanliga elektroner gör att varje enskild elektron som skickas in i experimentet har väldigt liten sannolikhet för att ge upphov till en mörk materia-partikel. Den här låga sannolikheten går åt andra hållet också. Det är mycket liten sannolikhet att en sådan partikel ska växelverka med vanlig materia så att det kan synas i några instrument. Det blir så försvinnande lite att det inte går att göra på rimlig tid.

För att komma runt detta tänker Torsten Åkesson och hans grupp göra på ett annat sätt. De låter mörk materia-partikeln försvinna och ta med sig en del av elektronens energi. Ledtråden blir att den elektron som kommer ut på andra sidan fortfarande är ensam, men att den har bytt riktning och tappat energi på ett speciellt sätt. De måste alltså ha koll på varje enskild elektron, och precis vad som händer med den.

– Vi måste mäta elektronerna en och en, när de kommer in och när de kommer ut, och vi måste göra det under tolv månader, säger Torsten Åkesson.

Det här både liknar och skiljer sig från vad Caterina Doglioni gör vid Cerns Atlasdetektor. Likheten är att de på Cern precis som i LDMX inte försöker fånga själva partikeln, utan skulle se den som saknad energi. Skillnaden är hur partikeln skapas.

– Vad vi gör med Atlasdetektorn är att fånga resultat från kollisioner mellan protoner, alltså vanliga partiklar. De krockar in i varandra och sprutar ut nya partiklar åt alla håll, säger Caterina Doglioni.

Hennes uppgift är att skriva datorkod som sorterar och tolkar den stora mängden signaler från detektorns olika komponenter. Koden bringar ordning i kaoset av partiklar som skapas i energin som kollisionen frigör. Där kan det uppstå alla möjliga partiklar, och finns det en mörk materia-partikel kanske den också bildas där och smiter osynlig från platsen. Problemet blir då att hitta det rätta sättet att effektivt sålla fram just de kollisioner där det saknas energi, och samla ihop dem för att få nog med statistik för att kunna säga något om vad det måste vara för typ av partikel som gav sig av.

LDMX är i stället ett mycket specialiserat experiment, som är byggt för att titta efter en enda specifik reaktion vid mycket lägre energier än de enorma kollisionerna på Cern.

I stället krävs en väldigt speciell elektronstråle. När många andra experiment kräver många partiklar samtidigt vill de ha väldigt få, för att kunna observera varje elektron för sig. Det behövs alltså en tunn elektronstråle, som kör länge i sträck. En väldigt stor del av utvecklingen för att kunna köra LDMX är att få rätt sorts stråle.

Elektronstrålen utvecklas vid Stanford i USA, som tyvärr har drabbats mycket hårt av nedstängningarna i samband med coronapandemin.

– Att stänga ner går fort, men att öppna går långsamt. Men uppbyggnaden är igång, och vi tror att vi kan få det första datamaterialet någon gång under första halvan av 2024, säger Torsten Åkesson.

I övrigt är designen och planeringen helt färdig.

Under tiden fortsätter andra forskare att söka efter mörk materia på andra sätt. Det finns flera olika förslag på vad den mörka materian skulle kunna vara – och dessutom forskare som funderar på om det kanske inte alls finns någon mörk materia, utan att det alltså är förståelsen av själva gravitationen som behöver justeras. Kanske gömmer sig lösningen i just den typ av partikel som LDMX är lämpat för att upptäcka, och i så fall kan forskarna få den första skymten av den om några år.