Når fysikerne skal på arbejde i Snolab-laboratoriet, skal de først tage elevatoren. Den er hurtig, så det tager kun lidt over tre minutter at køre to kilometer ned i den canadiske undergrund. Her dybt under overfladen, hvor klippevæggen er 42 grader varm, skal de gå gennem halvanden kilometer beskidte minegange for at nå frem til laboratoriet.
Her må de dog først komme ind, når de har smidt overalls og sikkerhedshjelm, taget et bad og skiftet til overtræksdragter og hårnet. Laboratoriet er nemlig et enormt renrum, hvor temperaturen holdes på mere behagelige 22 grader, og hvor et lille overtryk sørger for, at støv fra de omkringliggende minegange ikke generer det følsomme udstyr.
Et af de fysikeksperimenter, der er ved at komme på plads på bunden af den dybe mine, går ud på at opdage spor efter mørkt stof – en af fysikkens største gåder. Mørkt stof er uhyre svært at få øje på, idet det ikke vekselvirker med andet stof gennem elektromagnetisk stråling. Det udsender altså ikke lys, som kan opfanges af teleskoper.
Men astrofysikerne ved, at stoffet findes, for det røber sin tilstedeværelse gennem sin tyngdepåvirkning på almindeligt stof. Uden mørkt stof ville galakserne ikke kunne rotere om sig selv så hurtigt, som man kan observere, at de gør. Lyset fra fjerne galakser ville heller ikke blive afbøjet som man kan se, det bliver.
Dannelsen af galakser og galaksehobe ville desuden være meget svær at forklare, hvis man ikke tog mørkt stof med i modellerne for universets udvikling, og den kosmiske baggrundsstråling – universets første lys – røber da også, at universet rummer mere end fem gange så meget mørkt stof som almindeligt stof.
Nu skal det fanges
Opgaven er altså nu at fange det mørke stof, så man kan blive klogere på det. Fra en teoretisk synsvinkel giver det god mening, hvis mørkt stof består af svagt vekselvirkende massive partikler (weakly interacting massive particles, wimps), som må være overalt omkring os. Hvert sekund må milliarder af disse wimps passere gennem hver af os. Da de næsten ikke vekselvirker med de almindelige atomer, som vi består af, lægger vi overhovedet ikke mærke til, at partiklerne af mørkt stof suser igennem os – kun få gange om året støder en wimp sammen med en atomkerne i vores krop.
Opgaven med at detektere de sjældne sammenstød mellem wimps og almindeligt stof løses bedst langt under jordoverfladen. Kollisionerne giver omtrent samme resultat som sammenstødet mellem partikler fra den kosmiske stråling og atomkerner, så hvis man vil være sikker på, at det rent faktisk er mørkt stof, man har set spor efter, gælder det om at minimere støjen fra kosmisk stråling fra verdensrummet.
Detektorer i rummet hjælper til Det største og dyreste instrument på den internationale rumstation ISS, Alpha Magnetic Spectrometer (AMS), er også med i jagten på mørkt stof. Når to partikler af mørkt stof støder sammen, kan de nemlig i teorien forvandles til en byge af mere velkendte partikler, heriblandt elektronens antipartikel positronen. Disse partikler kan AMS fange og måle energien af. Efter de første 1.226 dage på ISS har AMS detekteret 54,4 milliarder højenergiske kosmiske partikler. Langt de fleste har været protoner som forventet, men forskerne har også identificeret 580.000 af de langt sjældnere positroner. Det er flere, end de havde ventet, og de overskydende positroner kan muligvis stamme fra kolliderende mørkt stof. Eksperimentet fortsætter, så længe ISS er i drift, så forskerne vil få adgang til mange flere data. Det skal der også til, hvis man skal kunne udelukke, at positronerne kommer fra himmellegemer som for eksempel pulsarer. Samtidig vil data fra satellitter som gammastråleobservatoriet Fermi også kunne lede fysikerne på sporet af den rigtige model for mørkt stof.
Derfor har forskerne isoleret sig på bunden af den canadiske nikkelmine, hvor den kosmiske stråling er 50 millioner gange mindre end ved jordoverfladen – faktisk går der tre-fire dage imellem, at en kvadratmeter rammes af en partikel.
I Snolab er forskerne i fuld gang med at konstruere detektoren Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), hvor de håber at fange mørkt stof i krystaller af germanium. Krystallerne køles ned til en temperatur uhyre tæt på det absolutte nulpunkt, og så venter forskerne på, at en partikel af mørkt stof rammer en germanium-kerne. Når det sker, vil en svag vibration – en fonon – udbrede sig i krystallen, og det kan måles. Hvis germanium-atomet ioniseres ved sammenstødet, kan det også detekteres.
Ny generation af detektorer
SuperCMDS kommer til at tilhøre en ny generation af mørkt stof-detektorer, der er mindst ti gange så følsomme som de eksisterende. Endnu er der ikke fundet overbevisende spor efter mørkt stof, men det skulle gerne ændre sig i løbet af de kommende par år.
Den europæiske pendant til SuperCMDS kaldes European Underground Rare Event Calorimeter Array (Eureca). Her er planen at skaffe plads til 3.000 ultrarene krystaller med en samlet masse på et ton og en temperatur omkring 30 millikelvin i et stort underjordisk laboratorium 1.800 meter under de fransk-italienske alper.
Europa er nemlig med helt fremme i jagten på det mørke stof, også når det gælder en detektortype, hvor forskerne håber på at se det mørke stof vekselvirke med atomkerner i flydende xenon eller argon.
I en grotte forbundet med en tunnel 1.400 meter under toppen af det italienske bjerg Gran Sasso skal eksperimentet Darwin stilles op, og så vil forskerne læne sig tilbage og vente på, at små lysglimt afslører kollisioner mellem mørkt stof og adskillige ton flydende ædelgas. Når en mørkt stof-partikel rammer en atomkerne, får kernen nemlig fart på, og den udsender en del af sin energi som elektromagnetisk stråling. Fotonerne kan så opfanges af superfølsomme fotodetektorer.
Før Darwin kommer på plads, har amerikanerne sandsynligvis opstillet det store LUX-Zeplin-eksperiment halvanden kilometer nede i en gammel guldmine i South Dakota. Her skal syv ton flydende xenon udgøre målet for det mørke stof.
Endelig vil forskerne også lede efter beviser for mørkt stof en kilometer nede i en mine i Japan og i en tunnel hele 2.400 meter under et bjerg i det sydvestlige Kina.
