Mørk materie-eksperiment fikk endelig treff

Mørk, usynlig materie utgjør fem ganger så mye som den vanlig materien: stjerner, gass, støv – og oss. Den finnes overalt, men vi vet ikke hva den egentlig består av.
Ett av mange eksperimenter som forsøker å finne spor av den ukjente materien, befinner seg dypt inne i Gran Sasso-fjellet i Italia. Her har forskerne plassert en gigantisk tank fylt med 3,5 tonn flytende xenon, en tung edelgass.
Tanken var at mørk materie-partikler av typen WIMP – weakly interacting massive particles eller svakt vekselvirkende partikler – dersom slike finnes, ville dulte borti atomkjernene til xenon-atomer og skape små lysglimt som kan registreres av sensorer i eksperimentet.
Etter 14 års resultatløs jakt på lysglimt fra WIMP'er, kom forskerne på at de kunne lete etter andre partikler, partikler som ikke dytter borti atomkjernen, men i elektronene.
Slike hendelser har de behandlet som bakgrunnsstøy fra forurensning i eksperimentet, men etter å redusert støyen, var det mulig å lete etter hendelser med betydning.
En fiffig liten bump
Og sannelig, der forskerne forventet å se 232 slike dytt på elektroner, med en usikkerhet på +-15, fant de 285.
Anders Kvellestad, teoretisk partikkelfysiker ved UiO, så framleggelsen av de nye resultatene.
– Jeg er ingen ekspert på denne typen søk etter veldig lette, ny partikler, men resultatet fra XENON1T ser virkelig imponerende ut!
– Det er en fiffig liten bump i datasettet deres, nede ved de laveste energiene de kan detektere, sier han.
Etter et års grubling har forskerne bak XENON1T-eksperimentet kommet fram til tre mulige forklaringer.
Bare forurensing?
Først den kjedelige: Det kan skyldes forurensning av tritium, en radioaktiv variant av hydrogenatomet. Så lite som tre tritiumatomer pr. kilo xenon skal til for å forklare de ekstra elektrondyttene. Slik forurensning er ikke oppdaget i xenon-eksperimenter tidligere, men forskerne peker på at de verken kan utelukke eller bekrefte at dette er årsaken.
De to andre forklaringene er mye mer spennende:
Den ene har med nøytrinoer å gjøre, disse florlette partiklene som finnes overalt i universet og som vi fremdeles ikke vet så mye om. Skulle det vise seg at de har magnetisk moment, at de likner litt på en magnet med sør- og nordpol, kan de interagere med elektronene og skape signalet i xenon-eksperimentet.
...eller en ny type partikkel?
Det kan også skyldes aksioner, en hypotetisk partikkel som ble foreslått på 1970-tallet, men ikke er observert (ennå).
– Om man tolker bumpen i dataene som et mulig signal fra aksioner, er signifikansen på ca 3.5 sigma. Ikke nok til å få partikkelfysikere til å hoppe i taket, men nok til å heve en rekke øyebryn, mener Kvellestad.
For å hevde en oppdagelse, er partikkelfysikernes gullstandard en statistisk signifikans på 5 sigma, noe som tilsvarer at de er 99,9999 % sikre på at signalet ikke er et statistisk blaff.
Stemmer teorien bak aksioner, kan den forkare hvorfor den sterke kjernekrafta, den som binder nøytroner og protoner sammen i atomkjernen, ikke ser ut til å bry seg om hvilken vei tiden går.
Aksion: mulig mørk materie
Kvellestad forklarer teorien slik:
– Vi vet fra eksperimenter at en parameter i likningene for den sterke kjernekrafta må være ekstremt liten, men Standardmodellen – teorien om partikler og krefter – har ingen forklaring på hvorfor det er slik.
– I Peccei-Quinn-mekanismen fra 1977 forklares dette ved å innføre en ny symmetri i likningene, som så brytes av et nytt kvantefelt. Dette minner om Higgsmekanismen, der Higgsfeltet er ansvarlig for "spontant"å bryte en annen symmetri i Standardmodellen. En observerbar konsekvens av dette nye kvantefeltet vil være en ny, og antakelig veldig lett, partikkel kjent som aksionet.
– En bonus ved denne teorien: Aksionet er en elektrisk nøytral partikkel som kun vekselvirker veldig svakt med andre partikler. Altså kan aksionet også være en av flere mulige bidrag til mørk materie i universet! sier Kvellestad.
Vaskemiddelpartikkel
Aksioner har forøvrig fått navnet sitt fra et vaskemiddel. Nobelprisvinner Frank Wilczek hadde sett vaskepulveret på butikken og tenkte at dette var et passende navn på en partikkel. Da han oppdaget teorien bak aksionene, så han sitt snitt.
Historien om navnevalget, og om teorien bak aksionene, forteller Wilczek i essayet Time’s (Almost) Reversible Arrow.
Forskerne bak XENON1T sier ikke at det er slike aksioner de kan ha sett. Men dersom aksioner skulle vise seg å finnes, produseres de også i stjerner, og det er aksioner produsert i vår egen sol som kanskje kan ha laget signalet i xenon-tanken i Italia.
– De aksionene som eventuelt utgjør mørk materie, har for lite energi til å detekteres i XENON1T-eksperimentet. Men aksionene som produseres i sola, kan få nok kinetisk energi til å oppdages i detektoren, forklarer Kvellestad.
– Personlig tror jeg ikke det er aksioner fra sola som forklarer signalet i XENON1T-dataene, sier han.
Nye svar innen rekkevidde
Hovedargumentet er dette: Dersom aksioner produsert i sola skal forklare XENON1T-bumpen, så burde det også produseres store mengder aksioner i enda varmere stjerner. Aksionene vil da stikke av med en betydelig andel av stjernas energi, noe som fører til en nedkjøliing av stjerna. Dessverre ser det ut til at nedkjølingseffekten som XENON1T-signalet impliserer er for stor til å stemme med andre astrofysiske observasjoner.
– Men man vet aldri – det er garantert mange muligheter her vi ikke har tenkt på ennå! Det som er sikkert, er at det kommer til å bli skrevet mange teoristudier om aksioner og andre hypotetiske, lette partikler i tida frem til vi får nye data, avslutter Kvellestad.
Denne gangen trenger det ikke ta så veldig lang tid før de nye dataene kommer. Forskerne har en ny detektor under installering i Gran Sasso-laboratoriet: XENONnT inneholder hele 8,4 tonn xenon og har enda lavere bakgrunnsstøy. Forskerne forventer nye svar etter bare noen få måneder med datainnsamling.
Nøkkelord
Kontakter
Wenche WillochRedaktør, Titan.uio.no
Tel:+4798203122wenche.willoch@mn.uio.noBilder



Lenker
Om UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet

Sem Sælands vei 24
0371 Oslo
22 85 56 00http://www.mn.uio.no/
Det matematisk-naturvitskaplege fakultet har ein lang og stolt tradisjon innan forsking og undervising i dei klassiske realfaglege disiplinane. Fakultetet si verksemd dekkjer også eit breitt spekter av tverrfagleg forsking og ligg i front i Europa på fleire område.
Følg våre forskingsnyheiter på Titan.uio.no, som også er på Facebook og Twitter, eller abonner på nyheitsbrevet.
Følg pressemeldinger fra UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet
Registrer deg med din e-postadresse under for å få de nyeste sakene fra UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet på e-post fortløpende. Du kan melde deg av når som helst.
Siste pressemeldinger fra UiO - Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet
Ny forskning viser at det for få år siden var en tredje torskebestand i Oslofjorden2.7.2025 10:52:25 CEST | Pressemelding
Nå er den borte. Forskerne advarer om pågående kollaps av de lokale torskebestandene.
Nå er meitemarken giftig, ifølge ny definisjon27.6.2025 13:00:38 CEST | Pressemelding
Mygg, hagesnegler og bladlus: Hagen er full av giftige dyr!
TRUST blir nasjonalt senter for kunstig intelligens – tildeles midler av Norges forskningsråd11.6.2025 13:43:27 CEST | Pressemelding
Norges forskningsråd har i dag offentliggjort hvilke miljøer som får status som nasjonale forskningssentre for kunstig intelligens (KI). Blant de utvalgte er TRUST – The Norwegian Centre for Trustworthy AI – som nå får betydelig støtte for å bygge opp et nasjonalt forskningssenter med kjernen av senteret i Oslo Science City. TRUST skal ledes av Universitetet i Oslo (UiO), SINTEF og Norsk Regnesentral og vertskap for senteret blir dScience ved Det matematisk-naturvitenskapelige fakultetet ved UiO.
Norge må delta i kvantekappløpet3.2.2025 09:50:19 CET | Pressemelding
Kvanteteknologi vil endre verden, og påvirke vesentlige samfunnsfunksjoner. Norges ledende fageksperter anbefaler nå landets politikere å utarbeide en nasjonal strategi for kvanteteknologi.
Derfor gjør julelukter oss så glade20.12.2024 09:00:00 CET | Aktuelt
Lukt er spesielt effektivt for å hente fram gamle minner. Hva er det som skjer i hjernen når vi lukter?
I vårt presserom finner du alle våre siste pressemeldinger, kontaktpersoner, bilder, dokumenter og annen relevant informasjon om oss.
Besøk vårt presserom