Standardmodellen for kosmologi forteller oss at bare 4,9% av universet er laget av vanlig materie (av det vi kan se), mens resten er 26,8% mørk materie og 68,3% mørk. energi. Som navnet på disse konseptene antyder, kan vi ikke se dem, så deres eksistens må følge av teoretiske modeller, observasjoner av den store strukturen i universet og de åpenbare gravitasjonseffektene som vises på synlig materie.
Helt siden dette ble snakket om, har det absolutt ikke manglet på spekulasjoner om hvordan mørk materiepartikler ser ut. For ikke så lenge siden begynte mange forskere å tenke at mørk materie består av svakt interagerende massive partikler (WIMPs, WIMPs), som er omtrent 100 ganger massen av en proton, men samhandler som nøytrinoer. Ikke desto mindre har alle forsøk på å finne WIMP ved hjelp av partikkelakseleratoreksperimenter ført til ingenting. Derfor begynte forskere å sortere ut mulige alternativer til sammensetningen av mørk materie.
Moderne kosmologiske modeller har en tendens til å anta at massen av mørkt materiale ligger innenfor 100 GeV (gigaelectronvolt), som tilsvarer massegrensene til mange andre partikler som samhandler ved hjelp av en svak atomkraft. Eksistensen av en slik partikkel tilsvarer en supersymmetrisk utvidelse av standardmodellen for partikkelfysikk. I tillegg antas det at slike partikler burde ha blitt født i et varmt, tett, tidlig univers med massetettheten av materie, som har vært uendret til i dag.
Imidlertid har pågående eksperimenter for å identifisere WIMPs ikke funnet noen konkrete bevis for eksistensen av slike partikler. Disse inkluderte søk etter WIMP-utslettelsesprodukter (gammastråler, nøytrinoer og kosmiske stråler) i nærliggende galakser og klynger, samt direkte partikkeloppdagingseksperimenter ved bruk av supercolliders som LHC.
Ved supersymmetri tilintetgjør wimps seg imellom, og skaper en kaskade av partikler og stråling, inkludert gammarenergistråler med middels energi
Mange forskere fant ingenting, og bestemte seg for å flytte vekk fra WIMP-paradigmet og se etter mørk materie andre steder. En slik gruppe kosmologer CERN og CP3-Origins i Danmark publiserte nylig en studie som viste at mørk materie kan være mye tyngre og svakere å samhandle enn tidligere antatt.
Et av medlemmene i CP-3 Origins-forskerteamet, Dr. McCullen Sandora, snakket om teamets innsats:
Kampanjevideo:
”Vi kan ennå ikke utelukke WIMP-scenariet, men hvert år mistenker vi mer og mer enn vi ikke har sett noe. I tillegg lider den vanlige svake skalaen for fysikk av et hierarkiproblem. Det er uklart hvorfor alle partiklene vi kjenner er så lette, spesielt hvis du ser på den naturlige tyngdekraften, Planck-skalaen, som er omtrent 1019 GeV. Så hvis mørk materie var nærmere Planck-skalaen, ville det ikke bli påvirket av hierarkiproblemet, og det ville også forklare hvorfor vi ikke har sett signaturer knyttet til WIMP."
Ved hjelp av en ny modell de kaller Plancks Interacting Dark Matter (PIDM), undersøker forskere en øvre grense for massen av mørk materie. Mens WIMPene plasserer massen av mørk materie i den øvre enden av elektrosvak skalaen, foreslo det danske forskerteamet til Martias Garney, McCullen Sandora og Martin Slot en partikkel med en masse som er på en helt annen naturlig skala - Planckian.
På Planck-skalaen tilsvarer en masseenhet 2.17645 x 10-8 kilo - omtrent et mikrogram, eller 1019 ganger massen av en proton. Ved den massen er hver PIDM i det vesentlige så tung som en partikkel kan være før den blir et miniatyr svart hull. Gruppen foreslo også at disse PIDM-partiklene bare samhandler med vanlig materie gravitasjonelt, og at mange av dem ble dannet i det meget tidlige universet i en periode med sterk oppvarming - en periode som begynte på slutten av inflasjonstiden, et sted fra 10-36 til 10- 33 eller 10-32 sekunder etter Big Bang.
Denne tiden kalles så fordi romtemperaturen antas å ha falt 100.000 ganger under inflasjon. Da inflasjonen endte, kom temperaturene tilbake til nivået før inflasjonen (ca. 1027 Kelvin). På dette tidspunktet har det meste av den potensielle energien til inflasjonsfeltet forråtnet i partikler av standardmodellen, som fylte universet, og blant dem - mørk materie.
Naturligvis kommer den nye teorien med sin andel av konsekvenser for kosmologer. For eksempel, for at denne modellen skal fungere, må temperaturen på oppvarmingsperioden ha vært høyere enn for tiden antatt. Videre vil en varmere oppvarmingsperiode også skape flere primære gravitasjonsbølger, noe som vil gjenspeiles i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen (CMB).
"Denne høye temperaturen forteller oss to interessante ting om inflasjon," sier Sandora. - Hvis mørk materie er PIDM: For det første fortsatte inflasjonen med veldig høye energier, noe som ikke bare ville gi svingninger i temperaturen i det tidlige universet, men også i selve romtiden, i form av gravitasjonsbølger. For det andre forteller den oss at inflasjonens energi burde ha forråtnet til materie ekstremt raskt, for hvis det tok lang tid, kunne universet kjøle seg ned til det punktet hvor det ikke lenger ville være i stand til å produsere PIDM.
Eksistensen av disse gravitasjonsbølgene kan bekreftes eller utelukkes i fremtidige studier av den kosmiske mikrobølgebakgrunnen. Dette er ekstremt spennende nyheter, siden den nylige oppdagelsen av gravitasjonsbølger forventes å føre til fornyet innsats for å oppdage urbølger som er forankret i selve skapelsen av universet.
Som Sandora forklarte, presenterer alt dette et klart vinn-vinn-scenario for forskere, da den nyeste kandidaten for mørk materie enten vil bli oppdaget eller motbevist i nær fremtid.
“Vårt scenario gir en jernkledd forutsigelse: vi vil se gravitasjonsbølger i neste generasjon eksperimenter med den kosmiske mikrobølgeovnens bakgrunn. Det vil si at dette er vinn-vinn: hvis vi ser dem, er det flott, og hvis vi ikke ser dem, vil vi vite at mørk materie ikke er en PIDM, hvorfra det følger at noe av dets interaksjon med vanlig materie bør forventes. Hvis alt dette skjer de neste ti årene, kan vi bare vente utålmodig."
Helt siden Jacobus Kaptein foreslo eksistensen av mørk materie i 1922, har forskere sett etter direkte bevis på dens eksistens. Den ene etter den andre ble kandidater blant partikler - fra gravitino til aksjoner - foreslått, screenet ut og gikk inn i riket av evig søken. Vel, hvis denne siste kandidaten utvetydig blir nektet eller bekreftet, er det alternativet ikke allerede dårlig.
Tross alt, hvis det blir bekreftet, vil vi løse et av de største kosmologiske mysteriene gjennom tidene. La oss komme et skritt nærmere forståelsen av universet og hvordan dets mystiske krefter samhandler med hverandre.
