Fysikere vil lede efter spor af mørkt stof i nyt eksperiment
Ingen ved, hvad mørkt stof er lavet af, men det kan være en eller anden slags elementarpartikler. Det kunne fx være den superlette axion, som SDU-fysiker Manuel Meyer og hans kolleger nu håber at kunne fange i et underjordisk eksperiment.
Axion er navnet på en hypotetisk elementarpartikel. Det er også navnet på et opvaskemiddel.
Det var fysikeren Frank Wilczek, der i 1978 kom op med navnet axion, fordi den nye hypotetiske elementarpartikel ville ”clean up” nogle af fysikernes teorier, der på stædig vis ikke rigtigt ville hænge sammen.
Siden har ingen kunne påvise axionen, men mange fysikere håber på, at disse partikler eksisterer, da det som sagt vil ”clean up” teorien, der beskriver hvordan atomkerner holdes sammen og måske især kan løse gåden om, hvad mørkt stof er lavet af.
Mørkt stof udgør ca. 80 pct. af alt stof i universet, mens de resterende 20 pct. stof er kendt og udgør fx planeter og galakser og alt det, vi har på Jorden, både natur- og menneskeskabt.
Vi kan ikke mærke eller registrere mørkt stof på samme måde som kendt stof; fx bliver vores krop formentlig konstant gennemstrømmet af mørkt stof, uden at vi mærker det. Derfor må fysikerne udtænke avancerede eksperimenter i deres forsøg på at detektere mørkt stof eller en af de partikler, som mørkt stof er lavet af. Hvis det nogensinde lykkes, vil det være et af de helt store gennembrud i fysikkens historie.
Manuel Meyer, lektor i fysik på SDU, er en af de fysikere, der jagter mørkt stof. Han er også modtager af et European Research Council Starting Grant på 11 millioner kr., der netop støtter hans forskning i det: Searching for axion and axion-like-particle dark matter in the laboratory and with high-energy astrophysical observation.
Manuel Meyer er især optaget af axionerne; de hypotetiske elementarpartikler, som vil give så meget mening, hvis de bliver påvist.
Nu er han og en række andre forskere fra internationale forskningsinstitutioner klar til et nyt stort eksperiment i jagten på axionerne: Det drejer sig om ALPS II eksperimentet, der i uger, måske måneder vil sende fotoner (lyspartikler) rundt i et 240 meter langt rør. Det helt særlige er, at der i røret er opsat en mur.
- Det, vi tror og håber på, er, at det kan lykkes en foton at trænge gennem muren. Den vil ikke trænge igennem som en almindelig foton – lys kan ikke trænge igennem en mur – men vi har lavet et set-up, der gør det muligt for fotonen at ændre form til en axion, som godt kan trænge gennem muren, og så blive forvandlet til en foton igen på den anden side af muren. Med andre ord; hvis vi ser en foton på den anden side af muren – og det ikke skyldes en målefejl – så har vi formentlig haft en axion til at gå gennem muren, forklarer Manuel Meyer.
Det, der gør det muligt for en foton at blive omdannet til en axion, er de superledende magneter, der er installeret i røret. Efter magneterne kommer muren, som en axion altså formodentlig vil være i stand til at gå igennem.
Selvom forskerne med bl.a. kraftige laserstråler, spejle og resonatorer prøver at øge sandsynligheden for et magisk skift fra foton til axion og tilbage til foton, er chancerne stadig små: Det er lige så sandsynligt som at kaste 33 terninger, der alle lander ens.
- Hvis vi ser en foton bag muren, vil vi nok først tænke, at der er tale om en fejl, men hvis det ikke er en fejl, så vil det være en revolution. Så har vi detekteret en ny partikel, der kan ændre form til en foton i et magnetisk felt. Det betyder ikke, at det er en mørkt stof-partikel. Nok kan vi bestemme, hvor stærkt den interagerer med en foton, men vi vil stadig ikke kende dens masse, og vi ved stadig ikke, hvor meget mørkt stof, der er lavet af axion, siger Manuel Meyer.
Hans rolle i ALPS II eksperimentet handler om at detektere eventuelle fotoner på den anden side af muren. Til det formål har forskerne en særlig foton-følsom chip, som befinder sig i en såkaldt cryostat, hvor temperaturen er tæt på det absolutte nulpunkt (- 273 grader celsius). Chippen er lavet af wolfram, som ved denne lave temperatur ikke har nogen elektrisk modstand, men derimod bliver superledende, så der kun skal meget lidt til at opvarme den. En enkelt foton er faktisk nok, så den vil blive opdaget af Manuel Meyer og hans kolleger, der holder øje med chippens temperatur.
- Man kan betragte det som et meget sensitivt termometer, der gør os i stand til kun at få signal fra en foton og ikke ale muligt andet, forklarer han.
ALPS II har planmæssig start i slutningen af maj eller starten af juni 2023. Først med tests, og derefter med fuld operation senere på året. Eksperimentet foregår på Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) I Hamburg.
Udover DESYs forskere deltager også forskere fra Max Planck Institute for Gravitational Physics (Albert Einstein Institute), Institute for Gravitational Physics/Leibniz University, Cardiff University, University of Florida, Johannes Gutenberg University, University of Hamburg og Syddansk Universitet.
Mød forskeren
Manuel Meyer er lektor og forskningsleder på Institut for Fysik, Kemi og Farmaci.
Hvem ellers leder efter mørkt stof?
XENON leder efter tunge mørkt stof-partikler i en tank med flydende xenon.
CAST bruger en kraftig magnet og optik fra x-ray teleskoper til at lede efter axioner fra Solen.
ADMX bruger magnetiske felter til at forsøge at omdanne mørkt stof-axioner til mikrobølge-fotoner.
Fermi LAT kan indirekte detektere mørkt stof gennem gammastråler fra annihilationen af tunge mørkt stof-partikler eller spor af foton-axion-omvendelser i signaler fra fjerne galakser.