Standardmodellen för kosmologi berättar att endast 4,9% av universum är sammansatt av vanlig materia (dvs det vi kan se), medan resten består av 26,8% mörk materia och 68,3% mörk energi. Som namnen antyder kan vi inte se dem, så deras existens har behövt sluts ut baserat på teoretiska modeller, observationer av universums storskaliga struktur och dess uppenbara gravitationseffekter på synliga ämnen.
Sedan det först föreslogs har det inte funnits några brister på förslag på hur Dark Matter-partiklar ser ut. För inte så länge sedan föreslog många forskare att Dark Matter består av svagt samverkande massiva partiklar (WIMP), som är ungefär 100 gånger massan av en proton men samverkar som neutrino. Men alla försök att hitta WIMP: er med hjälp av collider-experiment har kommit tomma. Som sådan har forskare undersökt idén att mörk materia kan bestå av helt annat.
Nuvarande kosmologiska modeller antar att massan av mörk materia är omkring 100 Gev (Giga-elektrovolter), vilket motsvarar massskalan för många andra partiklar som samverkar via svag kärnkraft. Förekomsten av en sådan partikel skulle vara förenlig med supersymmetriska förlängningar av standardmodellen för partikelfysik. Det antas vidare att sådana partiklar skulle ha producerats i det heta, täta, tidiga universum med en massmassa-densitet som har förblivit konsekvent till denna dag.
Emellertid har pågående experimentella ansträngningar för att upptäcka WIMP inte lyckats producera några konkreta bevis för dessa partiklar. Dessa har inkluderat sökning efter produkterna från WIMP-förintelse (dvs gammastrålar, neutrinoer och kosmiska strålar) i närliggande galaxer och kluster, liksom direktdetekteringsexperiment med superkollider, som CERN Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz.
På grund av detta har många forskarlag börjat överväga att titta bortom WIMP: s paradigm för att hitta Dark Matter. Ett sådant team består av en grupp kosmologer från CERN och CP3-Origins i Danmark, som nyligen släppte en studie som tyder på att Dark Matter kan vara mycket tyngre och mycket mindre interagerande än tidigare trott.
Som Dr. McCullen Sandora, en av forskargruppens medlemmar från CP-3 Origins, berättade för Space Magazine via e-post:
"Vi kan inte utesluta WIMP-scenariot ännu, men med varje år som går går det allt mer misstänkt att vi inte har sett någonting. Dessutom lider den vanliga svaga skalfysiken av hierarkiproblemet. Det är därför alla partiklar vi känner till är så lätta, särskilt med avseende på den naturliga tyngdkraften, Planck-skalan, som är cirka 1019 GeV. Så om mörk materia var närmare Planck-skalan, skulle den inte drabbas av hierarkiproblemet, och det förklarar också varför vi inte såg signaturerna associerade med WIMP: er.
Med hjälp av en ny modell som de kallar Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) har teamet undersökt den övre gränsen för massan av mörk materia. Medan WIMP: er placerar massan av mörk materia vid den övre gränsen för electroweak-skalan, föreslog det danska forskarteamet Marthias Garny, McCullen Sandora och Martin S. Sloth en partikel med en massa nära en annan naturlig skala - Planck Scale.
På Planck-skalan motsvarar en enda massenhet 2.17645 × 10-8 kg - ungefär ett mikrogram, eller 1019 gånger större än massan för en proton. Vid denna massa är varje PIDM i huvudsak lika tung som en partikel kan vara innan den blir ett miniatyr svart hål. Teamet teoretiserar också att dessa PIDM-partiklar interagerar med vanlig materia endast genom gravitation och att ett stort antal av dem bildades i det mycket tidiga universum under "återuppvärmning" -epoken - en period som inträffade i slutet av inflationsepoken, cirka 10-36 t0 10-33 eller 10-32 sekunder efter Big Bang.
Detta är epokens så kallade eftersom kosmiska temperaturer antas ha fallit med en faktor på 100 000 eller så under inflationen. När inflationen avslutades återvände temperaturen till sin före inflationära temperatur (uppskattningsvis 1027 K). Vid detta tillfälle försvann inflationsfältets stora potentiella energi till standardmodellpartiklar som fyllde universum, vilket skulle ha inkluderat Dark Matter.
Naturligtvis kommer denna nya teori med sin del av implikationerna för kosmologer. Till exempel, för att denna modell ska fungera, måste temperaturen på uppvärmningsepoken vara högre än vad som för närvarande antas. Dessutom skulle en varmare uppvärmningsperiod också resultera i skapandet av mer primordiala gravitationella vågor, som skulle vara synliga i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB).
"Att ha en så hög temperatur berättar två intressanta saker om inflationen", säger Sandora. "Om mörk materia visar sig vara en PIDM: det första är att inflationen hände med en mycket hög energi, vilket i sin tur innebär att den kunde producera inte bara fluktuationer i temperaturen i det tidiga universum, utan också i rymdtiden själv, i form av gravitationsvågor. För det andra berättar det att inflationens energi var tvungen att försvinna i materien extremt snabbt, för om det hade tagit för lång tid skulle universum svalna till den punkten där det inte skulle ha kunnat producera några PIDMs alls. ”
Förekomsten av dessa gravitationsvågor kan bekräftas eller uteslutas av framtida studier som involverade Cosmic Microwave Background (CMB). Detta är spännande nyheter, eftersom den senaste upptäckten av gravitationella vågor förväntas leda till förnyade försök att upptäcka urbana vågor som går tillbaka till själva skapandet av universum.
Som Sandora förklarade presenterar detta ett win-win-scenario för forskare, eftersom det betyder att den senaste kandidaten för Dark Matter kommer att kunna bevisas eller motbevisas inom en snar framtid.
”[O] ur-scenariot gör en konkret förutsägelse: vi kommer att se gravitationsvågor i nästa generation av kosmiska mikrovågsbakgrundsförsök. Därför är det ett icke-förlora scenario: om vi ser dem, det är bra, och om vi inte ser dem, vet vi att mörk materia inte är en PIDM, vilket kommer att innebära att vi vet att det måste ha några ytterligare interaktioner med vanlig materia. Och allt detta kommer att hända inom det närmaste decenniet, vilket ger oss mycket att se fram emot. ”
Ända sedan Jacobus Kapteyn först föreslog existensen av Dark Matter 1922 har forskare letat efter några direkta bevis på dess existens. Och en efter en har kandidatpartiklar - allt från gravitinos och MACHOS till axioner - föreslagits, vägt och funnits vilja. Om inget annat är det bra att veta att den senaste kandidatpartikelns existens kan bevisas eller uteslutas inom en snar framtid.
Och om det har visat sig vara korrekt kommer vi att lösa ett av de största kosmologiska mysterierna genom tiderna! Ett steg närmare att verkligen förstå universum och hur dess mystiska krafter interagerar. Teorin om allt, här kommer vi (eller inte)!
