En osynlig substans genomsyrar universum och förändrar stjärnor och galaxer.
Denna så kallade mörka materie utövar en tyngdkraft, men interagerar aldrig med ljus. Ingen vet vad den är gjord av och det har varit omöjligt att upptäcka hittills. Men en ny teori kan äntligen ge ett sätt att testa för mörk materia.
Mörk materia kan bestå av konstiga halvmagneter, sa teoretiska fysiker från University of California, Davis, vid en presentation den 6 juni på Planck 2019-konferensen i Granada, Spanien. Och genom att slå på ett riktigt kraftfullt (som ännu ej existerande) elektronmikroskop kan vi äntligen kunna upptäcka dem.
Men inte alla fysiker är övertygade.
"Jag tycker att det är snyggt, men inte särskilt lovande", sa Sabine Hossenfelder, forskare vid Frankfurt Institute for Advanced Studies, som inte ingick i studien. "Det finns oändligt många partiklar som du kan uppfinna som kan utgöra mörk materia." Detta är bara en av dem, tillade hon.
"För var och en av dessa partiklar kan du göra många beräkningar, publicera uppsatser och tänka upp experiment, som du sedan kan försöka få finansiering för," sa hon. "Om du är riktigt lycklig kommer någon att göra ditt experiment - vilket då inte hittar någonting."
Strävan efter mörk materia
Även om teorier förutspår att mörk materia existerar, har vi ingen aning om hur det ser ut eller hur den är gjord av. En stund fanns det "en vacker berättelse" om att mörk materia var uppbyggd av ett lummigt, blyg vilddjur av en partikel känd som en svagt samverkande massiv partikel, eller WIMP, sa medförfattare till den nya studien, John Terning, en professor i fysik vid University of California, Davis.
I flera år sökte forskare efter dessa långsamma, laddningsbara partiklar med kraftfulla partikelacceleratorer. Men när tiden gick uteslutte fysiker fler och fler WIMP-kandidater - och den populära idén förlorade dragkraften. Även om inte helt uteslutits, "under de senaste tio åren har människor tänkt på andra möjligheter än WIMP: er," sade Terning.
En annan teori föreslår att mörk materia faktiskt består av ljuspartiklar eller fotoner.
"Förutom de vanliga fotonerna som vi kan se, kan det finnas några fotoner som vi inte kan se," sade Terning. Dessa så kallade "mörka fotoner" är hypotetiska partiklar som har massa, men är lättare än elektroner. Mörka fotoner skulle interagera - dock ganska svagt - med vanliga fotoner.
I denna nya studie byggde Terning och hans postdoktor Christopher Verhaaren på denna teori och föreslog att mörk materia också skulle kunna utgöras av mörka halvmagneter. Dessa hypotetiska halvmagneter skulle vara mörka versioner av de länksökta monopolerna eller magneterna. som bara har en enda pol, föreslog fysikern Paul Dirac först på 1930-talet. (Trots årtionden med jakt hittade ingen bevis för dem i naturen än.)
Dirac föreslog dock inte bara monopol; han föreslog också att en elektron som rör sig runt en monopol skulle påverkas av dess magnetfält. Så om Terning och Verhaarens teori stämmer, och mörka versioner av dessa halvmagneter lurar någonstans i universum - och om de mörka halvmagneterna fungerar som Diracs monopol - skulle de också lämna subtila ledtrådar i elektronernas banor.
Om mörka monopol finns, skulle de släppa ut mörka fotoner som kan förvandlas till vanliga fotoner innan de absorberas av elektroner, sade Terning. Denna interaktion skulle få elektronerna att rotera eller ändra kursen bara en liten bit och ge ett interferensmönster som kallas Aharonov-Bohm-effekten. (Elektroner är inte bara partiklar, de är också vågor, och ett interferensmönster är det som dyker upp när topparna och dalarna i elektronens "vågekvation" antingen lägger till eller avbryter varandra, skapar en serie av parallellt ljus och mörka linjer.) Terning och Verhaaren föreslår att de kanske kan upptäcka denna mycket lilla förändring i elektroninterferensmönster med hjälp av elektronmikroskop.
Upphetsad av solen
Om mörk materia finns, är det i oss och runt omkring oss - inklusive i och runt alla elektronstrålmikroskop vi skulle använda för att upptäcka det. Men för att upptäcka mörk materia genom dess störning av elektroner skulle de konstiga halvmagneterna som utgör mörk materia behöva ha ett tillräckligt magnetfält. Det betyder att dessa halvmagneter skulle behöva ha mycket energi.
Monopoler som passerar nära solen kan bli upphetsade, få mer energi och sedan ta sig ner till jorden, sade Terning. Han förutspår att ungefär fem av dessa upphetsade monopol per dag skulle gå igenom något av storleken på deras föreslagna elektronstrålmikroskop. "Det är inte illa eftersom vanliga WIMP-detektorer skulle vara glada om de fick fem evenemang per år," sade han.
Dessutom skulle förändringen i elektronfasen orsakad av mörka halvmagneter vara så liten att vi för att upptäcka det skulle behöva otroligt högupplösta elektronstråle-mikroskop - de som för närvarande finns finns förmodligen inte tillräckligt kraftfulla . Detta elektronmikroskop skulle behöva ha en upplösning som är fem gånger större än den som finns för närvarande, sade Terning.
I alla fall hoppas vi att "få dessa människor med de superfina elektronmikroskop som är intresserade av att söka efter detta" eller så "kanske vi" måste bygga ett annat bara för att sitta och vänta på mörk materia, ”sa Terning.
De olika konkurrerande teorierna om mörk materia skulle berätta helt olika historier om hur det tidiga universum bildades, sade han. När du väl har kommit fram till vilken mörk materia faktiskt är gjord av - oavsett om det är ljusa eller tunga partiklar - kan människor tänkas skapa fabriker av mörk materia, av olika slag, här på jorden. "Om det är väldigt lätt, behöver du inte mycket energi för att producera din egen mörka materia."
Forskarna publicerade sin studie till preprint-tidskriften arXiv. Det har ännu inte granskats.
