Partikelfysik och kosmologi står nära varandra. Forskningen om universums minsta respektive största strukturer bedrivs i en tät dialog.

Mysteriet med mörk materia snart löst

2014-01-23

Nu pågår kapplöpningen om vilka som ska upptäcka nästa okända elementarpartikel. Blir det än en gång CERN som hinner först? Det mesta av universum består av partiklar vi ännu inte känner till. Jakten på den mörka materians okända elementarpartiklar pågår längs tre olika forskningsspår.

Upptäckten av Higgspartikeln 2012 beskrivs ofta som den sista saknade pusselbiten i partikelfysikens standardmodell. Det betyder dock inte att alla elementarpartiklar nu är funna. Tvärtom är fysikerna övertygade om att det finns fler än dem som hittills hittats. De senaste decennierna har det blivit tydligt att standardmodellen inte räcker för att förstå universum – faktum är att bara omkring en sjundedel av all universums materia består av standardmodellens partiklar. Resten, sex sjundedelar, utgörs av något annat, något som inte ryms i modellen. Något som, i brist på bättre, brukar kallas ”mörk materia”.

– Den enda rimliga förklaringen till mörk materia är att det är tunga, oladdade och stabila partiklar, som uppstod väldigt kort efter big bang. Då var temperaturerna gigantiska, eftersom universum var så kompakt att alla typer av partiklar kunde uppstå, säger Lars Bergström, föreståndare för Oskar Kleincentret i Stockholm och professor i teoretisk fysik vid Stockholms universitet.

Tät dialog mellan artikelfysik och kosmologi 

Frågan om mörk materia är ett bra exempel på hur nära partikelfysiken och kosmologin står varandra idag, menar Lars Bergström. Forskningen om universums minsta respektive största strukturer bedrivs numera i en tät dialog och det är svårt att tänka sig avgörande upptäckter på det ena området som inte skulle få konsekvenser för det andra.

Av de stora frågor som fysiken har kvar att besvara blir det nog mysteriet med den mörka materian som kommer att lösas först, tror Lars Bergström. Jakten på den mörka materians okända elementarpartiklar pågår nu längs tre olika forskningsspår.

Den ena vägen är partikelacceleratorn CERN utanför Genève som för tillfället byggs om och från 2015 ska kunna kollidera protoner med dubbelt så höga energier som förut. Det innebär att det blir möjligt att upptäcka tyngre partiklar än tidigare.

Registrera kollisioner

Ett annat spår i sökandet kallas direkt detektion. Mörk materia-partiklar passerar antagligen hela tiden genom vår värld, och någon gång ibland kan de tänkas knuffa till en atom istället för att passera helt obemärkt. Forskarna hoppas kunna registrera sådana kollisioner genom att isolera stora behållare med flytande ädelgas – xenon eller argon – djupt inne berget. Försök pågår redan i massivet Gran Sasso i italienska alperna.

– Nästa generations instrument för direkt detektion, med ett helt ton xenon, är under uppbyggnad och kan vara klart om ett år om allt går väl, berättar professor Jan Conrad vid Oskar Kleincentret. Och framåt 2020 borde vi vara igång med ett projekt som jag själv är involverad i, Darwin, med 20 ton argon och 20 ton xenon.

Alstra gammastrålning 

Det tredje forskningsspåret kallas indirekt detektion, och handlar om gammastrålning från rymden. När den mörka materians partiklar och antipartiklar (de kan mycket väl vara sina egna antipartiklar) träffar på och förintar varandra bör det alstra gammastrålning av en viss våglängd. Denna skulle kunna upptäckas med både rymd- och markbaserade teleskop.

Alla tre forskningsspåren är nu på väg att avancera in i områden där chanserna för upptäckt är mycket goda, menar Lars Bergström.

– Det är som alltid: man letar där det finns en lyktstolpe, och det området har blivit större och större, säger han. Nu börjar vi få lyktstolpar på de ställen där vi helst vill leta.

Utvecklingen har gått snabbt

Inom kosmologin, liksom inom många andra vetenskaper, har det gått fort de senaste decennierna. Flera av universums mest fundamentala egenskaper, såsom dess ålder och att det accelererar, är tämligen nya upptäckter. Snabb teknisk utveckling är förstås en viktig orsak till språnget, konstaterar Lars Bergström. Kraftfullare datorer och känsligare detektorer har flyttat gränserna för vilka beräkningar och observationer som låter sig göras. Men framgångarna handlar inte bara om teknik, utan också om alldeles traditionellt tankearbete, framhåller han.

– Redan 1930-talets observationer hade faktiskt räckt för att fastställa att det finns mörk materia, säger Lars Bergström. Det var då Fritz Zwicky studerade galaxer i galaxhopen Coma och upptäckte att de rörde sig alldeles för snabbt. Han myntade till och med begreppet – ”dunkle materia” på tyska. Men sedan föll detta i glömska hos både omvärlden och Zwicky själv.

Mörk materias lösning ger ledtrådar

Två andra obesvarade frågor för dagens fysiker är: Vart har all antimateria försvunnit? Och vad är den mörka energin för något, den som gör att universums expansion accelererar? Dess frågor är svårare, och kommer att ta längre tid att besvara, menar Lars Bergström.

– Förhoppningen är att när vi förstår mörk materia kan den kunskapen ge oss ledtrådar som gör att vi förstås de andra frågorna lite bättre, säger han.

Hur fort kan det gå?

– Jag skulle bli förvånad om vi inte löst problemet med mörk materia inom fem, tio år.

Text: Anders Nilsson
Foto: Matton

1 kommentar

Tack för din kommentar. Den kan komma att modereras innan den publiceras.

  • Gösta Thorstrand

    Med vilka helt hållbara argument försvaras "Standardmodellen". Läste nyligen Max Tegmarks teorier om tänkbara alternativa verkligheter och människans begränsade föreställningsförmåga. Får verkligen alla teorier samma status i forskarvärlden?

    2017.04.25