Jagten på mørkt stof foregår dybt nede i jorden

Illustration: Matthew Kapust

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.

AMS blev monteret på ISS 19. maj 2011. Siden har detektoren indfanget milliarder af partikler. Illustration: Nasa

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.

Emner : Fysik
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Når galakserne roterer hurtigtere end beregnet, kunne det skyldes at beregningen af den centrale masse var forkert, at masse i centrum ganske enkelt var tungere, måske et sort hul.

  • 0
  • 1

Når galakserne roterer hurtigtere end beregnet, kunne det skyldes at beregningen af den centrale masse var forkert, at masse i centrum ganske enkelt var tungere, måske et sort hul.

Det er lidt mere kompliceret. Hvis regnestykket skal gå op, så skal meget af den manglende masse befinde sig langt fra centrum. Det er den del af galakserne som er langt fra centrum som bevæger sig "for hurtigt", hvorimod de centrale dele er tæt på den beregnede hastighed. En større masse i centrum løser ikke problemet.

Mvh. Peter

  • 3
  • 0

Neutrinoer kan trænge gennem stof med meget ringe vekselvirkning, og derfor bygges netrinodetektorer også dybt nede i jorden. Hvordan vil de nye detektorer skelne mellem vekselvirkninger med neutrinoer og vekselvirkninger med partikler af mørkt stof ? Giver det vidt forskellige henfald ved sammenstødene ?

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten