Cirka 80% av allt ämnet i kosmos är av en form som är helt okänd för den nuvarande fysiken. Vi kallar det mörk materia, för så gott vi kan säga är det ... mörkt. Experiment runt om i världen försöker fånga en bortföljd mörk materiapartikel i hopp om att förstå den, men hittills har de visat sig tomma.
Nyligen har ett team av teoretiker föreslagit ett nytt sätt att jaga på mörk materia med konstiga "partiklar" som kallas magnoner, ett namn jag inte bara gjorde upp. Dessa små krusningar kan locka till och med en flyktig, lätt, mörk materiapartikel ur gömningen, säger dessa teoretiker.
The dark matter puzzle
Vi vet alla slags saker om mörk materia, med det anmärkningsvärda undantaget av vad det är.
Även om vi inte direkt kan upptäcka det, ser vi bevis på mörk materia så snart vi öppnar upp våra teleskoper för det bredare universum. Den första uppenbarelsen, långt tillbaka på 1930-talet, kom genom observationer av galaxkluster, några av de största strukturerna i universum. Galaxerna som bebod dem rörde sig helt enkelt för snabbt för att hållas tillsammans som ett kluster. Det beror på att galaxernas kollektiva massa ger gravitationslimet som håller klustret ihop - ju större massan, desto starkare limet. Ett superstarkt lim kan hålla ihop även de snabbast rörliga galaxerna. Allt snabbare och klustret skulle helt enkelt riva sig isär.
Men där fanns klusterna, existerande, med galaxer som surrade runt inom sig mycket snabbare än de borde ge klustrets massa. Något hade tillräckligt med gravitationsgrepp för att hålla klasarna ihop, men att något inte släppte ut eller interagerade med ljus.
Detta mysterium fortsatte olösta genom årtiondena, och på 1970-talet astronomen Vera Rubin höjde myren på ett stort sätt genom observationer av stjärnor inom galaxer. Återigen rörde saker sig för snabbt: Med tanke på deras observerade massa borde galaxerna i vårt universum ha skruvat bort varandra för miljarder år sedan. Något höll dem ihop. Något osynligt.
Berättelsen upprepas över hela kosmos, både i tid och rum. Från det tidigaste ljuset från Big Bang till de största strukturerna i universum, finns något funky där ute.
Söker i mörkret
Så mörk materia är väldigt mycket där - vi kan bara inte hitta någon annan hållbar hypotes för att förklara tsunamin av data till stöd för dess existens. Men vad är det? Vår bästa gissning är att mörk materia är någon slags ny, exotisk partikel, som hittills är okänd för fysiken. På denna bild översvämmer mörk materia varje galax. I själva verket är den synliga delen av en galax, sett genom stjärnor och moln av gas och damm, bara en liten fyr uppsatt mot en mycket större, mörkare strand. Varje galax sitter i en stor "gloria" som består av zillioner på zillioner av mörka materialpartiklar.
Dessa mörka materialpartiklar strömmar genom ditt rum just nu. De strömmar genom dig. En oändlig regndusch o 'små, osynliga partiklar av mörk materia. Men du märker helt enkelt inte dem. De interagerar inte med ljus eller med laddade partiklar. Du är tillverkad av laddade partiklar och du är väldigt vänlig med ljus; du är osynlig för mörk materia och mörk materia är osynlig för dig. Det enda sättet vi "ser" mörk materia är genom gravitationskraften; gravitationen märker varje form av materia och energi i universum, mörk eller inte, så vid de största skalorna observerar vi påverkan av den kombinerade massan av alla dessa otaliga partiklar. Men här i ditt rum? Ingenting.
Om inte, hoppas vi, finns det något annat sätt som mörk materia interagerar med oss normal materia. Det är möjligt att den mörka materiapartikeln, oavsett vad den är, också känner den svaga kärnkraften - som är ansvarig för radioaktivt förfall - öppnar ett nytt fönster i denna dolda värld. Föreställ dig att bygga en gigantisk detektor, bara en stor massa av det element du har till hands. Mörkmaterialpartiklar strömmar genom det, nästan alla helt oskadliga. Men ibland, med en sällsynthet beroende på den specifika modellen av mörk materia, interagerar den förbipasserande partikeln med en av atomkärnorna i elementen i detektorn via den svaga kärnkraften, slår den ur plats och gör detektorns hela massa koger.
Ange magnon
Denna experimentella installation fungerar bara om partiklarna med mörk materia är relativt tunga, vilket ger den tillräckligt med oomph för att slå ut en kärna i en av dessa sällsynta interaktioner. Men hittills har ingen av de mörka materieavkännarna runt om i världen sett några spår av en interaktion, även efter år och år av sökning. Eftersom experimenten har markats längre har de tillåtna egenskaperna för mörk materia långsamt uteslutits. Detta är inte nödvändigtvis en dålig sak; vi vet helt enkelt inte vilken mörk materia är gjord av, så ju mer vi vet om vad det inte är, desto tydligare bild av vad det kan vara.
Men bristen på resultat kan vara lite oroande. De tyngsta kandidaterna för mörk materia utesluts, och om den mystiska partikeln är för lätt kommer den aldrig att ses i detektorerna när de är inställda just nu. Det är, såvida inte det finns ett annat sätt som mörk materia kan prata med vanlig materia.
I en nyligen publicerad artikel som publicerades i förtrycket online-tidskrift arXiv, beskriver fysiker en föreslagen experimentell uppsättning som kan upptäcka en mörk materiapartikel i akten att ändra rotationen av elektroner (om faktiskt mörk materia kan göra det). I denna inställning kan mörk materia potentiellt detekteras, även om den misstänkta partikeln är väldigt lätt. Det kan göra detta genom att skapa så kallade magnoner i materialet.
Låtsas att du har en bit av material vid en temperatur på absolut noll. Alla snurrar - som små små magneter - av alla elektroner i den materien kommer att peka i samma riktning. När du långsamt höjer temperaturen kommer några av elektronerna att börja vakna, vrida sig runt och slumpmässigt rikta sina snurr i motsatt riktning. Ju högre du höjer temperaturen, desto fler elektroner slås upp - och var och en av dessa vändningar minskar magnetstyrkan med bara lite. Var och en av de vippade snurrarna orsakar också lite krusning i materialets energi, och dessa vrikningar kan ses som en kvasipartikel, inte en riktig partikel, men något du kan beskriva med matematik på det sättet. Dessa kvasipartiklar är kända som "magnoner", förmodligen för att de är som små, söta små magneter.
Så om du börjar med ett riktigt kallt material, och tillräckligt med mörka materialpartiklar träffar materialet och vänder några snurr runt, kommer du att observera magnoner. På grund av experimentets känslighet och interaktionernas natur kan denna inställning upptäcka en lätt partikel av mörk materia.
Det är, om det finns.
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.
