Fysiker på jakt efter den osynliga handen som formar vårt universum och galaxerna i det har vänt blicken mot den mörka sidan. Specifikt letar ett team bakom varje kosmisk sten efter så kallade mörka fotoner, som kan överföra en tidigare okänd naturkraft.
Dessa fotoner skulle förmedla samspelet mellan all normal materia och det osynliga saker som kallas mörk materia.
Men forskare har länge förstått att naturen är utsträckt och dras och krossas och slits av fyra kända krafter, så hur kunde en annan kraft ha gömt oss så länge? De fyra kända krafterna utgör hörnstenen i vår vardag: den tyranniska men kortsiktiga starka kärnkraften, som binder atomkärnor samman; den otydliga och viskande tyst svaga kärnkraften, som kontrollerar radioaktivt förfall och pratar med de subatomära partiklarna som kallas neutrino; den djärva och ljusa elektromagnetiska kraften, som dominerar våra liv; och den subtila tyngdkraften, den överlägset svagaste i kvartetten.
Med hjälp av dessa fyra grundläggande krafter kan fysiker måla ett porträtt av våra subatomära och makroskopiska världar. Det finns ingen interaktion som inte involverar en av dessa fyra tecken. Och ändå finns det fortfarande många mysterier om interaktioner i vårt universum, särskilt på de största skalorna. När vi zooma ut till storleken på galaxer och därefter, inträffar något fiskigt, och vi ger den fiskigheten namnet på mörk materia.
Är mörk materia enkel och inte prydd, eller döljer den en mängd tidigare okända krafter i sina kopplingar? Nu har ett internationellt team av fysiker, som beskriver sitt arbete online i förtryckstidsskriftet arXiv, använt en datadump från Large Hadron Collider - världens största atomsmaskare - för att leta efter en sådan kraft. För tillfället har deras sökning visat sig tom - vilket är bra (slags): Det betyder att våra kända fysiska lagar fortfarande kvarstår. Men vi kan fortfarande inte förklara mörk materia.
Förlorat i mörkret
Mörk materia är en hypotetisk form av materia som sägs stå för cirka 80% av universumets totala massa. Det är lite stort. Vi vet inte riktigt vad som är ansvarigt för allt detta extra osynliga grejer, men vi vet att det finns, och vår största ledtråd är allvar. Genom att undersöka rörelserna från stjärnor inom galaxer och galaxer i kluster, tillsammans med utvecklingen av de största strukturerna i kosmos, har astronomer nästan universellt dragit slutsatsen att det finns mer än uppfyller det galaktiska ögat.
Ett bättre namn på mörk materia kan vara osynlig materia. Medan vi kan dra slutsatsen från dess gravitationspåverkan (eftersom ingenting undviker Albert Einsteins allsynande öga), interagerar mörk materia helt enkelt inte med ljus. Vi vet detta eftersom om mörk materia interagerade med ljus (eller åtminstone om den interagerade med ljus på det sätt som bekant materia gör), skulle vi sett det mystiska ämnet nu. Men så vitt vi kan säga, absorberar mörk materia - oavsett vad det är - inte ljus, reflekterar ljus, bryter ljus, sprider ljus eller avger ljus. För mörk materia är ljus helt enkelt persona non grata; det kan lika gärna inte ens existera.
Och så det finns en stor chans att legioner av mörka materialpartiklar strömmar genom din kropp just nu. Den kombinerade massan av den oändliga strömmen kan forma galaxernas öde genom gravitationspåverkan, men den passerar genom normalt ämne utan ens ett hej. Rude, jag vet, men det är mörk materia för dig.
Sätta ljuset
Eftersom vi inte vet vilken mörk materia är gjord av, är vi fria att göra upp alla slags scenarier, både vardagliga och fantasifulla. Den enklaste bilden av mörk materia säger att den är stor och grundläggande. Ja, det utgör den stora majoriteten av universumets massa, men den består endast av en enda, mycket produktiv partikel som inte gör annat än att ha massa. Det betyder att materialet kan göra sig känt genom tyngdkraften men annars inte samverkar genom någon av de andra krafterna. Vi kommer aldrig någonsin att få en glimt av mörk materia som gör något annat.
De fantasifulla scenarierna är roligare.
När teoretiker blir uttråkade lagar de upp idéer för vilken mörk materia kan vara, och ännu viktigare, hur vi kan upptäcka det. Nästa nivå upp på skalan av intressanta teorier om mörk materia säger att ämnet ibland kan prata med normal materia via den svaga kärnkraften. Den idén motiverar mörka materieexperiment och detektorer runt om i världen idag.
Men ändå antar det scenariot att det fortfarande bara finns fyra naturkrafter. Om mörk materia är en tidigare osynlig typ av partikel, är det helt rimligt att föreslå (för vi har ingen aning om vi har rätt eller inte) att det kommer förpackat med en tidigare okänd naturkraft - eller kanske ett par, som vet ? Denna potentiella kraft kan låta mörk materia bara prata med mörk materia, eller den kan sammanflätas mörk materia och mörk energi (som vi inte heller förstår), eller den kan öppna en ny kommunikationskanal mellan de normala och mörka sektorerna i vårt universum .
Uppgång av den mörka fotonen
En föreslagen kommunikationsportal mellan den ljusa och mörka världen är något som kallas en mörk foton, analog med den bekanta (ljusa) fotonen för den elektromagnetiska kraften. Vi får inte se eller smaka eller lukta direkt på de mörka fotonerna, men de kan blandas med vår värld. I detta scenario avger mörk materia mörka fotoner, som är relativt massiva partiklar. Detta innebär att de har effekter på bara en kort räckvidd, ganska till skillnad från deras ljusbärande motsvarigheter. Men ibland kunde en mörk foton interagera med en vanlig foton, ändra dess energi och bana.
Detta skulle vara en mycket sällsynt händelse; annars skulle vi ha märkt att något funky händer med elektromagnetism för länge sedan.
Så även med mörka fotoner skulle vi inte kunna se den mörka materien direkt, men vi kunde sniffa ut de mörka fotonernas existens genom att undersöka massor av elektromagnetiska interaktioner. I en liten bråkdel av dessa skräp kan en mörk foton "stjäla" energi från en vanlig foton genom att interagera med den.
Men som sagt, vi behöver massor av interaktioner. Det händer bara så att vi har byggt gigantiska Machines of Science för att producera exakt det, så vi har tur.
I arXiv-uppgiften rapporterade fysiker om sina resultat efter att ha granskat tre års värde från Super Proton Synchrotron, den näst största partikelacceleratorn vid CERN. För detta experiment krossade forskarna protonerna mot det subatomära ekvivalentet av en tegelvägg och tittade på alla bitarna i efterdyningarna.
I vraket hittade forskarna elektroner - många av dem. Under tre år räknade forskare över 20 miljarder elektron med energier över 100 GeV. Eftersom elektroner är laddade partiklar och gillar att interagera med varandra, skapade de högenergiska elektronerna i detta experiment också många fotoner. Om det finns mörka fotoner, bör de ibland interagera med och stjäla energi från en av de vanliga fotonerna, ett fenomen som skulle dyka upp i experimentet som brist på ljus.
Denna sökning efter mörka fotoner kom tomt - alla normala fotoner var närvarande och redovisade - men det utesluter inte helt existerande av mörka fotoner. Istället sätter det gränser för de tillåtna egenskaperna hos dessa partiklar. Om de existerar skulle de ha låg energi (mindre än en GeV, baserat på resultaten av experimentet) och skulle bara sällan interagera med vanliga fotoner.
Sökningen efter mörka fotoner fortsätter emellertid med framtida körningar av experimentet som kommer att komma hem ännu längre på denna föreslagna varelse av den subatomära världen.
Läs mer: "Dark Matter Search in Missing Energy Events With NA64"
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av "Fråga en Spaceman" och "Space Radio, "och författare till"Din plats i universum."
