Eftersøgningen af mørkt stof

Eftersøgningen af mørkt stof

Man forestiller sig sædvanligvis mørkt stof som noget ”derude.” Men vi vil aldrig rigtigt forstå det medmindre, vi kan bringe det ned på jorden

David B. Cline*

Indhold:

Mørkt stof

Indledning

Gennem kikkerten

Sky men ingen eneboer

At vende den anden kind til

At kende forskel

Mere at udforske

Indledning

Universet omkring os er ikke, hvad det ser ud til. Stjernerne udgør mindre end 1 procent af dets masse; al den løse gas og andre former for almindeligt stof, mindre end 5 procent. Dette synlige materiales bevægelser afslører, at det blot er drivgods på et uset hav af ukendt materiale. Vi ved lidt om det hav. Benævnelserne, vi bruger til at beskrive dets komponenter, ”mørkt stof” og ”mørk energi,” tjener hovedsageligt som udtryk for vor uvidenhed.

Skønt partikler af mørkt stof kun modstræbende vekselvirker med almindelige atomer, burde de gøre det en gang imellem. Når en sådan partikel rikochetterer fra en atomkerne, slås kernen tilbage, rammer omgivende atomer og frigør energi i form af lys.
Det virkelige trick er at skelne denne energifrigørelse fra mere prosaiske processer, som radioaktivt henfald. Sådanne virkninger kunne redegøre for den eneste rapporterede detektion af mørkt stof til dato. SLIM FILMS

I 70 år har astronomerne støt indsamlet indicier for eksistensen af mørkt stof og næsten alle accepterer, at det er virkeligt. Men indiciebeviser er utilfredsstillende. De kan ikke afgørende udelukke alternativer, som modificerede fysiklove [se ”Does Dark Matter Really Exist?” af Mordehai Milgrom; Scientific American, august 2002]. De afslører heller ikke meget om det antagne materiales egenskaber. Essentielt er alt, vi ved, at mørkt stof klumper sig sammen og giver galakser og større strukturer som galaksehobe et tyngdemæssigt anker. Det består næsten sikkert af en hidtil uopdaget type elementarpartikel. Mørk energi er til trods for dens forvirrende lignende navn en anden substans, der først kom ind i billedet i 1998. Den er fordelt ensartet gennem rummet, udøver et negativt tryk og forårsager at universets udvidelse accelererer.

I sidste ende vil detaljerne ved disse mørke komponenter skulle udfyldes ikke af astronomi men af partikelfysikken. I de sidste otte år har de to discipliner slået deres resourcer sammen og kommet sammen ved møder som Symposia on Sources and Detection of Dark Matter and Dark Energy in the Universe. Det næste symposium vil blive afholdt i februar 2004 i Marina del Rey, Calif. Målet har været at finde måder at detektere og studere mørkt stof ved brug af de samme teknikker, som har været så succesfulde til analyse af partikler som positroner og neutrinoer. Snarere end at udlede dets tilstedeværelse ved at se på fjerne objekter, ville forskerne søge det mørke stof her på Jorden.

UNIVERSETS SAMMENSÆTNING

MATERIALE	REPRÆSENTATIVE PARTIKLER	TYPISK PARTIKEL MASSE ELLER ENERGI (ELEKTRONVOLT)	ANTAL PARTIKLER I DET OBSERVEREDE UNIVERS	SANDSYNLIGT BIDRAG TIL UNIVERSETS MASSE	VIDNESBYRD
Almindeligt (”baryonisk”) stof	Protoner, elektroner	10⁶ til 10⁹	10⁷⁸	5%	Direkte observation, sluttet fra udbredelse af grundstoffer
Stråling	Kosmisk Mikrobølge Baggrund fotoner	10^-4	10⁸⁷	0,005%	Mikrobølge teleskop observationer
Varmt mørkt stof	Neutrinoer	³ 1	10⁸⁷	0,3%	Neutrinomålinger, sluttet fra kosmisk struktur
Koldt mørkt stof	Supersymmetriske partikler?	10¹¹	10⁷⁷	25%	Sluttet fra galaksedynamik
Mørk energi	”Skalare” partikler?	10^-33 (antagelse: mørk energi udgør partikler)	10¹¹⁸	70%	Supernova observationer af accelereret kosmisk udvidelse

Eftersøgningen af mørkt stof partikler er blandt de vanskeligste eksperimenter, der nogensinde er forsøgt i fysik. (Eftersøgningen af mørk energi partikler er endnu mindre medgørlig og er blevet sat til side, i det mindste i øjeblikket.) På det første symposium i 1994 udtrykte deltagerne en næsten total mangel på tillid til, at en partikeldetektor i et jordbaseret laboratorium nogensinde kunne registrere mørkt stof. Selv de bedste intrumenters følsomhed var en faktor 1.000 for lav til at opfange de hypotetiske typer mørkt stof partikler. Men siden da er detektorfølsomheden forbedret 1.000 gange og instrumentbyggerne forventer, at kunne vride endnu en faktor 1.000 ud. Mere end 15 års forskning og udvikling af detektormetoder bærer endelig frugt. Vi kan snart vide, hvordan universet virkelig er. Enten vil mørkt stof vise sig at være virkeligt eller teorierne, der ligger under moderne fysik, må falde.

Gennem kikkerten

Hvad slags partikel kunne mørkt stof være lavet af? Astronomiske observationer og teori giver nogle generelle oplysninger. Det kan ikke være protoner, neutroner eller noget der engang var lavet af protoner eller neutroner sådan som massive stjerner, der blev til sorte huller. Ifølge beregninger af partikelsyntesen under big bang er antallet af sådanne partikler simpelthen for lille til at udgøre det mørke stof. Disse beregninger er blevet bekræftet af målinger af tidlig hydrogen, helium og lithium i universet. Ej heller kan mere end en lille brøkdel af det mørke stof være neutrinoer, en type letvægtspartikel der suser gennem rummet og ikke er forbundet med noget atom. Neutrinoer var engang en fremtrædende mulighed for mørkt stof og deres rolle forbliver et emne til diskussion, men eksperimenter har fundet, at de sandsynligvis er for lette [se ”Detecting Massive Neutrinos,” af Edward Kearns, Takaaki Kajita og Yoji Totsuka; Scientific American, august 1999]. Desuden er de ”varme” – dvs., i det tidlige univers bevægede de sig med en hastighed, der var sammenlignelig med lysets hastighed. Varme partikler var for lette til bens til at falde til ro i observerede kosmiske strukturer.

Det, der bedst passer med astronomiske observationer, involverer ”koldt” mørkt stof, et udtryk der henviser til en uopdaget partikel, der bevægede sig trægt, da den blev dannet. Skønt koldt mørkt stof har sine egne problemer med at forklare kosmiske strukturer [se ”The Life Cycle of Galaxies,” af Guinevere Kauffmann og Frank van den Bosch; Scientific American, juni 2002], betragter de fleste kosmologer disse problemer som små sammenlignet med de vanskeligheder, alternative hypoteser står overfor. Den nuværende Standard Model for elementarpartikler indeholder ingen eksempler på partikler, der kunne tjene som koldt mørkt stof, men udvidelser af Standard Modellen – udviklet af grunde helt adskilt fra astronomiens behov – tilbyder mange plausible kandidater.

Den allermest studerede udvidelse af denne slags er supersymmetri, så jeg vil koncentrere mig om denne teori. Supersymmetri er en attraktiv forklaring på mørkt stof, fordi den postulerer en helt ny familie af partikler – en ”superpartner” for hver kendt elemetarpartikel. Disse ny partikler er alle tungere (derfor mere træge) end kendte partikler. Adskillige er naturlige kandidater til koldt mørkt stof. Den, der får mest opmærksomhed, er neutralinoen, som er en sammensmeltning af fotonens superpartnere (som transmitterer den elektromagnetiske kraft), Z-bosonen (der transmitterer den såkaldte svage kernekraft) og måske andre partikeltyper. Navnet er noget uheldigt: ”neutralino” lyder meget som ”neutrino” og faktisk deler de to forskellige egenskaber, men ellers er de temmelig distinkte.

DEN MØRKE VIND: Som motorcyklister, der mærker vinden i ansigtet, bliver vi på Jorden ramt af en modvind af mørkt stof. Det mørke stof er essentielt en stagnerende gas – partiklerne bevæger sig tilfældigt, men har ingen organiseret retning – og vort solsystem brøler gennem dette materiale med 220 kilometer i sekundet. Inde i solsystemet kredser Jorden med 30 kilometer i sekundet. Når man tager hensyn til banens hældning, har modvinden en netto hastighed på 235 kilometer i sekundet i den nordlige sommer og 205 kilometer i sekundet om vinteren. Denne variation adskiller mørkt stof fra støj, som ikke ændrer sig med årstiderne.

DON DIXON

Skønt neutralinoen er tung efter normale standarder, menes den generelt at være den letteste supersymmetriske partikel. Hvis den er det, skal den være stabil: hvis en superpartikel er ustabil skal den henfalde til to lettere superpartikler og neutralinoen er allerede den letteste. Som navnet antyder, har neutralinoen nul ladning, så den er upåvirket af elektromagnetiske kræfter (som dem der involverer lys). Neutralinoens hypotetiserede masse, stabilitet og neutralitet tilfredsstiller alle kravene til koldt mørkt stof.

Big bang teorien giver en vurdering af antallet af neutralinoer, der blev skabt inde i kosmos’ varme tidlige plasma. Plasmaet var en kaotisk suppe af alle typer partikler. Ingen individuel partikel overlevede ret længe. Den ville hurtigt kollidere med en anden partikel, annihilere begge men frembringe nye partikler i processen; disse ny partikler kolliderede snart med andre i en cyklus af ødelæggelse og skabelse. Men efterhånden som universet nedkøledes og fortyndedes blev kollisionerne mindre voldsomme og processen gik i stå. Partikler udkondenseredes en efter en, begyndende med dem der havde tendens til at kollidere sjældnere og fortsatte til mere kollisionstilbøjelige typer.

Sky men ingen eneboer

Neutralinoen er en særligt kollisionssky partikel, så den frøs ud tidligt. På den tid var universets tæthed stadig meget høj, så der blev produceret et enormt antal neutralinoer. Baseret på den forventede neutralinomasse og dens lave tendens til at kollidere passer den totale masse af neutralinoer faktisk næsten med den masse af mørkt stof i universet, man har sluttet sig til. Denne overensstemmelse er et stærkt tegn på, at neutralinoer virkelig er mørkt stof.

For at detektere mørkt stof har forskerne behov for at vide, hvordan den vekselvirker med normalt stof. Astronomer antager, at den kun vekselvirker gennem tyngdekraft, den svageste af alle de kendte naturkræfter. Hvis det virkelig er tilfældet, har fysikerne intet håb om nogensinde at detektere den. Men astronomernes antagelse er sandsynligvis kun en bekvem tilnærmelse – noget der lader dem beskrive kosmiske strukturer uden at bekymre sig om partiklernes detaljerede egenskaber.

Supersymmetriens teorier forudsiger, at neutralinoen vil vekselvirke med en kraft stærkere end tyngdekraft: den svage kernekraft. Dette svarer til vekselvirkningen, der afslører neutrinoer [se ”The Search for Intermediate Vector Bosons,” af David B. Cline, Carlo Rubbia og Simon van der Meer; Scientific American, marts 1982]. En uhyre stor del af neutralinoerne vil glide gennem en plade af stof uden at vekselvirke, men den lejlighedsvise neutralino vil ramme en atomkerne. Den uheldige partikel vil overføre en lille mængde af sin energi til kernen.

FØRENDE EFTERSØGNINGER AF MØRKT STOF

PROJEKT	PLACERING	STARTDATO	PRIMÆR DETEKTOR TYPE	PRIMÆRT DETEKTOR MATERIALE	PRIMÆR DETEKTOR MASSE (kg)	DISKRIMINERENDE DETEKTORTYPE (S)
UKDMC	Boulby, U.K.	1997	Scintillation	Natrium jodforb.	5	Ingen
DAMA	Gran Sasso, Italien	1998	Scintillation	Natrium jodforb.	100	Ingen
ROSEBUD	Canfranc, Spanien	1999	Kryogenisk	Aluminiumoxid	0,05	Termisk
PICASSO	Sudbury, Canada	2000	Væskedråber	Freon	0,001	Ingen
SIMPLE	Rustrel, Frankrig	2001	Væskedråber	Freon	0,001	Ingen
DRIFT	Boulby, U.K.	2001	Ionisering	Carbondisulfid gas	0,16	Retningsbestemt
Edelweiss	Frejus, Frankrig	2001	Kryogenisk	Germanium	1,3	Ionisering, termisk
ZEPLIN I	Boulby, U.K.	2001	Scintillation	Flydende xenon	4	Tidtagning
CDMS II	Soudan, Minn., U.S.	2003	Kryogenisk	Silicium, germanium	7	Ionisering, termisk
ZEPLIN II	Boulby, U.K.	2003	Scintillation	Flydende xenon	30	Ionisering, scintillation
CRESST II	Gran Sasso, Italien	2004	Kryogenisk	Kalcium tungsten oxid	10	Scintillation, termisk

Usandsynligheden og svagheden ved vekselvirkningen opvejes af selve antallet af partikler. Trods alt menes mørkt stof at dominere galaksen. Da det var mørkt kunne det aldrig miste energi ved at udsende stråling, så det kunne aldrig klumpe sig sammen til subgalaktiske klumper som stjerner og planeter. Istedet fortsætter det med at overgyde det interstellare rum som en gas. Vort solsystem kredser rundt om galaksens centrum med 220 kilometer pr. sekund, så vi trænger os gennem denne gas med en helt pæn fart. Forskere vurderer, at en milliard mørkt stof partikler strømmer gennem hver kvadratmeter hvert sekund.

Leszek Roszkowski og hans hold på University of Lancaster i England udførte fornylig en fuldstændig beregning af størrelsen af neutralino vekselvirkninger med normalt stof. Størrelsen udtrykkes sædvanligvis som antallet af hændelser, der ville ske på en dag i et enkelt kilogram normalt stof. Afhængigt af de teoretiske detaljer varierer tallene fra 0,0001 til 0,1 hændelse pr. kilogram om dagen. Nuværende eksperimenter er i stand til at detektere hændelsesstørrelser i den høje ende af dette område.

Den vigtigste vanskelighed er ikke længere detektorfølsomhed men detektor urenhed. Alle materialer på Jorden, inkluderende det metal detektorerne er bygget af, indeholder spormængder af radioaktivt materiale som uran og thorium. Dette materiales henfald frembringer partikler, der registreres meget, som mørkt stof ville. Jordisk radioaktivitet overstiger det formodede neutralinosignal med en faktor 10⁶. Hvis detektorerne er placeret oven på jorden, gør kosmiske stråler situationen værre med en lignende faktor. For at identificere mørkt stof partikler med nogen tillid skal forskerne reducere begge disse uønskede baggrunde en million gange.

At vende den anden kind til

Fysikere står således overfor to udfordringer: at detektere den naturligt svage vekselvirkning af mørkt stof med almindeligt stof og afskærme sammenblandende støj. For at tage den første udfordring først kan adskillige egenskaber ved stof bruges til at optegne rekylen af en kerne, der er blevet ramt af en neutralino. Måske er den enkleste af alle metoder blot at se efter den opvarmning der vil ske, når den vigende kerne pløjer ind i det omgivende stof og slipper sin kinetiske energi og derved hæver materialets temperatur lidt. For at detektere denne opvarmning skal materialet til at begynde med have en meget lav temperatur. Dette er princippet i en kryogenisk detektor.

Kryogeniske detektorer, som dem brugt af to førende eftersøgningsprogrammer, Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) og Edelweiss, er konstrueret til at måle individuelle fononer, eller varmekvanter, i et materiale. De arbejder ved en temperatur på omkring 25 millikelvin og bruger termistorer til at registrere temperaturstigningen i apparatets forskellige dele. Individuelle detektorer har en masse på nogle få hundrede gram og forskerne kan stable et stort antal detektorer for at opnå en total masse på nogle få kilogram eller mere og derved forstærke signalet. Den seneste legemliggørelse af CDMS, placeret inde i Soudan Mine i Minnesota, er planlagt til at begynde at optage data senere i år.

TO TYPER MØRKT STOF DETEKTORER

DAVID B. CLINE; ROY PREECE Dark Matter Group, Rutherford Appleton Laboratory

En anden metode kigger efter endnu en virkning fra kernens rekyle: ionisering. Kernen slår nogle elektroner fri fra omgivende atomer, hvilket resulterer i anslåede ioner kendt som excimerer. Disse ioner genindfanger med tiden en elektron og vender tilbage til normalen. I nogle materialer, hovedsagelig ædle gasvæsker som xenon, udløser processen udsendelsen af lys, kaldet scintillations lys. Det er på denne måde excimer lasere – dem brugt i øjenkirugi – fungerer. For flydende xenon er lyset meget intenst og varer omkring 10 nanosekunder. En fotomultiplier kan forstærke signalet til niveauer, der kan detekteres.

I de tidlige 1990’ere udviklede ZEPLIN projectet – ledet af HanGuo Wang og mig på U.C.L.A. og Pio Picchi fra University of Turin i Italien – to-fase flydende xenon detektorer. Disse instrumenter forstærker lyset ved at indføre et lag gas ophængt af et elektrisk felt; feltet accelererer de elektroner, der slås af rekylerende kerner og gør derved en håndfuld partikler til en lavine. Med tiden burde det være muligt at konstruere en flydende-xenon-detektor på 10 ton, som skulle være følsom nok overfor neutralinoerne, selv om deres vekselvirkning er meget lav.

Xenonen behøver ikke være på flydende form. Nogle detektorer kan bruge den i gasform. Skønt gassen har en lavere tæthed end væsken, afslører gassen lettere sporet, som efterlades af den rekylerende kerne. Sporet peger tilbage til retningen af det indkommende mørke stof og muliggør et yderligere check af, at en galaktisk neutralino er ansvarlig. Detektorer af denne type udvikles for de underjordiske Boulby laboratorier i England. Xenon er bekvemt, fordi det ikke har nogen naturlige langlivede radioaktive isotoper (reducerer således baggrundsstøjen) og er let tilgængeligt fra atmosfæren (efter rensning for at fjerne radioaktiv krypton, der er tilbage fra atombombeafprøvninger). Men det er ikke det eneste materiale der scintillerer. DAMA, et eksperiment der gennemføres på Gran Sasso Laboratory nær Rom, bruger en natriumjodforbindelse. Med en masse på 100 kilogram er DAMA verdens største detektor.

At kende forskel

MØRKT STOFS EGENSKABER forudsiges af teorien til at falde et sted i et vist område (gråt område). De to egenskaber, der er vist her, er massen og det effektive tværsnitsareal, som er et mål for, hvor sandsynligt det er, at mørkt stof partiklerne vil vekselvirke med almindeligt stof. Detektorer (farvede kurver) undersøger allerede en væsentlig del af dette forudsagte område; de farvede kurver viser grænsen for deres følsomhed. De fleste har intet fundet, men en, kendt som DAMA, har set tegn på mørkt stof med et smalt bånd mulige egenskaber (røde område). Fremtidige detektorer skulle kunne undersøge det meste af det forudsagte område og enten bevise mørkt stofs eksistens eller udelukke det.

JOHNNY JOHNSON; KILDE: RICK GAITSKELL OG VUK MANDIC

Der tages generelt tre trin for at hamle op med den anden store udfordring, at overkomme baggrundsstøjen fra naturlig radioaktivitet og kosmiske stråler. For det første afskærmer forskerne mod kosmiske stråler ved at placere detektorerne dybt under jordoverfladen og indeslutter dem i specielle skærme. For det andet renser de detektormaterialet for at formindske radioaktiv forurening. For det tredje bygger de særlige instrumenter til at se efter de sigende tegn, der adskiller mørkt stof fra andre partikler.

Selv når de første to trin er taget, er de ikke nok. Derfor tager alle nye detektorer det tredje trin ved anvendelse af en form for sondringsevne mellem hændelser. Den første forsvarslinie et at se efter en årlig variation i signalet. Fluxen af mørkt stof burde være højere i den nordlige sommer, når Jordens banebevægelse adderer til hele solsystemets bevægelse gennem galaksen, end i den nordlige vinter hvor Jordens bevægelse trækker fra solsystemets. Signalvariationen burde være så høj som nogle få procent.

De mest avancerede projekter tilføjer en sekundær detektor, der er bygget ved brug af en anden teknologi end den primære. De to detektorer vil reagere på forskellige typer partikler på lidt forskellige måder. For eksempel har baggrundspartikler tendens til at frembringe mere ionisering end en kerne, der rekylerer fra en neutralino kollision. Ved at kombinere to detektorer kan denne forskel fanges.

Ved brug af en eller flere af de ovennævnte teknikker startede eftersøgningen af mørkt stof partikler for alvor sent i 1980’erne. Alle på nær en har været intetsigende indtil nu, hvilket ikke er overraskende, fordi de først fornylig har opnået den krævede følsomhed og tolerance overfor støj. Den enlige undtagelse er DAMA. For fire år siden rapporterede dette projekt en observation af årlig variation, som skabte lige mål af spænding og skepsis [se ”Revenge of the WIMPs,” af George Musser; News & Analysis, Scientific American, marts 1999]. Problemet var, at DAMA ikke bruger mangfoldige detektorer til at skelne mellem signal og støj. Tre andre eksperimenter, der bruger mangfoldige detektorer, har siden sået tvivl om DAMAs påstande. Edelweiss, ZEPLIN I og CDMS I observerede ingenting i meget af det område af parametere, som DAMA havde undersøgt. CDMS I holdet hævdede et tillidsniveau på 98 procent for nul resultatet. Hvis uafhængige projekter fortsætter med at være tomhændede, vil DAMA forskerne skulle tilskrive deres signal radioaktive processer eller anden støj.

Den ny generation detektorer skulle kunne udelukke eller acceptere neutralinoer afgørende. Hvis de ikke finder noget, er supersymmetri ikke den løsning, som naturen har valgt for mørkt stof problemet. Teoretikere ville skulle vende sig mod andre ideer, ligegyldigt hvor smagløst det virker lige nu. Men hvis detektorerne registrerer og verificerer et signal, vil det være en af det 21. århundredes største bedrifter. Opdagelsen af 25 procent af universet (kun efterladende den mørke energi uforklaret) ville indlysende være den mest spektakulære slutning. Anden værdifuld information ville følge. Hvis detektorerne kan opdage partikler af mørkt stof, kunne partikelacceleratorer som CERNs Large Hadron Collider nær Geneve måske være i stand til at genskabe dem og udføre kontrollerede eksperimenter. Bekræftelsen af supersymmetri ville betyde et uhyre antal partikler, der ventede på at blive opdaget, og ville give støtte til strengteori, i hvilken supersymmetri spiller en integrerende rolle. Det største mysterium i moderne astrofysik kan snart være løst.

Mere at udforske

Through a Universe Darkly: A Cosmic Tale of Ancient Ethers, Dark Matter, and the Fate of the Universe. Marcia Bartusiak. Harper Collins, 1993.

Supersymmetric Dark Matter. Gerard Jungman, Marc Kamionkowski og Kim Griest i Physics Reports, Vol. 267, sider 195-373; marts 1996. Findes på arXiv.org/abs/hep-ph/9506380

Just Six Numbers: The Deep Forces That Shape the Universe. Martin J. Rees. Basic Books, 1999.

Quintessence: The Mystery of the Missing Mass. Lawrence M. Krauss. Basic Books, 2001.

Sources and Detection of Dark Matter and Dark Energy in the Universe. Edited by David B. Cline. Springer Verlag, 2001.

WIMP Direct Detection Overview. Yorck Ramachers. Invited review at Neutrino 2002 conference, Munich, Germany, May 25-30, 2002. arxiv.org/abs/astro-ph/0211500

Nogle Web steder om specifikke programmer:

www.physics.ucla.edu/wimps/default-main.html

www.lngs.infn.it/lngs/htexts/dama

hepwww.rl.ac.uk/ukdmc/ukdmc.html

* David B. Cline har nu skrevet syv artikler for Scientific American, en ny rekord for en forsker. Cline er professor i fysik og astrofysik ved University of California, Los Angeles. Hans forskning har drejet sig om de vigtigste emner i partikelfysik: højenergi neutrinoer, protonhenfald og W og Z bosoner, bærere af den svage kernekraft. Fornylig har hans interesser vendt sig mod eftersøgningen af mørkt stof. Han arbejder med CMS detektoren på CERN nær Geneve, som en dag kunne producere mørkt stof.

Fra The Search for Dark Matter, Scientific American, marts 2003, sider28-35.

20. december 2007

Indhold

Mørkt stof i universet

Index