Tydligaste tecknet hittills på mörk materia

Mörk materia tros utgöra omkring 85 procent av all materia i universum, men ingen vet ännu vad den består av. Ett av de experiment som försöker fånga denna okända materia är LZ Dark Matter Experiment i South Dakota, USA. Nu har forskare vid LZ, som står för Lux-Zeplin, rapporterat att de sett spåren av en partikel som skulle kunna vara mörk materia.

– Det är väldigt spännande. Allt är mycket osäkert ännu eftersom det handlar om en enda händelse, men upptäckten förtjänar att tas på allvar, säger Jan Conrad, professor i astropartikelfysik vid Stockholms universitet.

Han forskar vid den europeiska konkurrenten till LZ – anläggningen Xenon i Italien. Vid båda experimenten försöker forskare detektera mörk materia med hjälp av stora behållare med ädelgasen xenon i flytande form.

– Under de 20 år som den här typen av forskning hållit på med allt större detektorer har vi sett oväntade saker ibland, men det brukar vara rätt lätt att hitta andra förklaringar än mörk materia. Här har man gjort ett noggrant försök att hitta konventionella förklaringar utan att lyckas. Därför är det stort.

Är den nya upptäckten det tydligaste experimentella tecknet hittills på mörk materia?

– Ja, det skulle jag vilja säga, och jag tror att vi relativt snart kommer att kunna bekräfta eller avfärda detta. Både med oberoende observationer av oss med Xenon i Europa och även vid LZ självt med nya data.

Men det tog ju 20 år innan denna händelse dök upp?

– Det dröjde för att anläggningarna hela tiden får bättre prestanda. Känsligheten som behövdes för den här observationen fanns inte förr, men i dag klarar vi det. Nu pågår nya datainsamlingar och när vi analyserar dem kommer vi att kunna se om det finns liknande händelser, säger Jan Conrad.

Den hypotetiska mörk materia-partikel som LZ och Xenon letar efter brukar kallas wimp, weakly interacting massive particle. Men om det är spåren av en wimp som LZ observerat så tycks den vara lite annorlunda än fysikerna hade räknat med, konstaterar Jan Conrad.

– Vi har antagit att vi skulle se flest händelser vid låga energier och få vid höga. I stället har vi fått en enda händelse med mycket hög energi. Det var oväntat, och behöver förklaras på något sätt. Jag har redan sett tiotals artiklar där teoretiska fysiker kastar sig över detta med olika förslag, säger han.

Kännetecknande för wimpar är att de är elektriskt neutrala och inte växelverkar elektromagnetiskt på samma sätt som vanlig materia. Därför sänder de inte ut, absorberar eller reflekterar ljus på ett sätt som gör dem möjliga att se.

Men någon gång ibland borde en wimp krocka med en atomkärna, och om man bara kunde eliminera bruset runtomkring så skulle den händelsen gå att observera – det är resonemanget bakom mörk materia-detektorer som LZ och Xenon. Därför är de placerade under kilometer av berg för att skärma av kosmisk strålning – Xenon i en tunnel under det italienska bergsmassivet Gran Sasso och LZ i en gammal guldgruva i South Dakota.

Flytande xenon har hög densitet, vill inte reagera med andra ämnen, kan renas mycket effektivt från föroreningar och är genomskinligt – egenskaper som gör det till ett lämpligt medium i detektorerna.

– Vi har skapat några av de absolut tystaste miljöerna i världen inne i de här xenonmassorna, där nästan inget pågår. Då blir det möjligt att upptäcka sådana här händelser, säger Jan Conrad.