Kunde vi redan ha upptäckt mörk materia?
Det är frågan som ställdes i en ny artikel publicerad 12 februari i Journal of Physics G. Författarna redogjorde för hur mörk materia kan vara gjord av en partikel känd som d * (2380) hexaquark, som troligen upptäcktes 2014.
Mörk materia, som utövar gravitationskraft men avger inget ljus, är inte något som någon någonsin har rört eller sett. Vi vet inte vad den är gjord av, och otaliga sökningar efter saker har kommit tomma. Men en överväldigande majoritet av fysiker är övertygade om att det finns. Beviset är gipsat över hela universum: Kluster av stjärnor som snurrar mycket snabbare än de annars borde göra, mystiska ljusförvrängningar över natthimlen och till och med hål som stansats i vår galax av en osynlig påverkan pekar på att något finns där ute - som utgör det mesta av universumets massa - som vi ännu inte förstår.
De mest studerade teorierna om mörk materia involverar hela klasser av aldrig tidigare sett partiklar från långt utanför fysikens standardmodell, den dominerande teorin som beskriver subatomära partiklar. De flesta av dessa passar in i en av två kategorier: de lätta axlarna och de tunga WIMP: er, eller svagt samverkande massiva partiklar. Det finns andra, mer exotiska teorier som involverar ännu oupptäckta arter av neutrinoer eller en teoretisk klass mikroskopiska svarta hål. Men sällan föreslår någon att mörk materia är gjord av något vi redan vet finns.
Mikhail Bashkanov och Daniel Watts, fysiker vid University of York i England, bröt den mögel och hävdade att d * (2380) hexaquark, eller "d-star", kunde förklara allt saknat material.
Kvarkar är grundläggande fysiska partiklar i standardmodellen. Tre av dem bundna samman (med hjälp av partiklar som kallas gluoner) kan skapa en proton eller en neutron, byggstenarna av atomer. Ordna dem på andra sätt så får du olika, mer exotiska partiklar. D-stjärnan är en positivt laddad sexkvark-partikel som forskare tror funnits under en sekund av en sekund under ett 2014-experiment vid Tysklands Jülich Research Center. Eftersom det var så flyktigt har detekteringen av d-stjärna inte absolut bekräftats.
Enskilda d-stjärnor kunde inte förklara mörk materia eftersom de inte håller tillräckligt länge innan de förfaller. Bashkanov berättade emellertid för Live Science, tidigt i universums historia kan partiklarna ha klumpat sig samman på ett sätt som skulle ha hindrat dem från att förfalla.
Det scenariot inträffar med neutroner. Ta ut en neutron ur en kärna, och den försvinner mycket snabbt, men blanda den med andra neutroner och protoner inuti kärnan, och den blir stabil, sade Bashkanov.
"Hexaquarks bete sig på exakt samma sätt," sade Bashkanov.
Bashkanov och Watts teoretiserade att grupper av d-stjärnor kunde bilda ämnen kända som Bose-Einstein kondensat, eller BEC. I kvantexperiment bildas BEC när temperaturen sjunker så lågt att atomer börjar överlappa varandra och smälta samman, precis som protonerna och neutronerna i atomerna. Det är ett ämnesläge som skiljer sig från fast material.
Tidigt i universums historia skulle dessa BEC: er ha tagit fria elektroner och bildat ett neutralt laddat material. En neutralt laddad d-stjärna BEC, skrev fysikerna, skulle uppträda mycket som mörk materia: osynlig, glida genom ljusa ämnen utan att märkbart stöta på den men ändå utöva betydande tyngdkraft på det omgivande universum.
Anledningen till att du inte faller genom en stol när du sitter på den är att stolens elektroner pressar mot elektronens baksida och skapar en barriär med negativa elektriska laddningar som vägrar att korsa banor. Under de rätta förhållandena, sade Bashkanov, skulle BEC: er gjorda av sexhörningar med fångade elektroner inte ha några sådana hinder, som glider genom andra slags ämnen som helt neutrala spöken.
Dessa BEC kanske hade bildats strax efter Big Bang, då rymden övergick från ett hav av varm kvark-gluonplasma utan distinkta atompartiklar i vår moderna era med partiklar som protoner, neutroner och deras kusiner. Just nu när de grundläggande atompartiklarna bildades var förhållandena perfekta för Hexaquark BEC: er för att fälla ut från kvark-gluonplasma.
"Innan denna övergång är temperaturen för hög; efter det är densiteten för låg," sade Bashkanov.
Under denna övergångsperiod kunde kvarkarna ha frusit in i antingen vanliga partiklar, som protoner och neutroner, eller i hexaquark-BEC: er som idag kan utgöra mörkt material, sade Bashkanov. Om dessa hexaquarks BEC finns där, skrev forskarna, kan vi kanske kunna upptäcka dem. Även om BEC: erna är ganska långlivade kommer de ibland att ruttna runt jorden. Och det förfallet skulle dyka upp som en särskild signatur i detektorer utformade för att upptäcka kosmiska strålar, och verkar som om det kom från alla riktningar på en gång som om källan fyllde allt utrymme.
Nästa steg, skrev de, är att leta efter den signaturen.
