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.