Standardmodellen for kosmologi fortæller os, at kun 4,9% af universet er lavet af almindeligt stof (af hvad vi kan se), mens resten er 26,8% mørkt stof og 68,3% mørkt. energi. Som navnet på disse begreber antyder, kan vi ikke se dem, så deres eksistens skal følge af teoretiske modeller, observationer af den store struktur i universet og de åbenlyse tyngdekraftseffekter, der manifesterer sig på synligt stof.
Lige siden dette først blev talt om, har der bestemt ikke været mangel på spekulationer om, hvordan mørke stofpartikler ser ud. For ikke så længe siden begyndte mange forskere at tænke, at mørkt stof består af svagt interagerende massive partikler (WIMP'er, WIMP'er), som er ca. 100 gange massen af en proton, men interagerer som neutrinoer. Ikke desto mindre har alle forsøg på at finde WIMP'er ved hjælp af partikelacceleratoreksperimenter ført til intet. Derfor begyndte forskere at sortere mulige alternativer til sammensætningen af mørkt stof.
Moderne kosmologiske modeller har en tendens til at antage, at massen af mørkt stof ligger inden for 100 GeV (gigaelectronvolt), hvilket svarer til massegrænserne for mange andre partikler, der interagerer ved hjælp af en svag atomkraft. Eksistensen af en sådan partikel svarer til en supersymmetrisk udvidelse af standardmodellen for partikelfysik. Derudover antages det, at sådanne partikler skulle være født i et varmt, tæt, tidligt univers med massens massefylde, som har været uændret til i dag.
Imidlertid har igangværende eksperimenter til identifikation af WIMP'er ikke fundet konkrete beviser for eksistensen af sådanne partikler. Disse omfattede søgninger efter WIMP-tilintetgørelsesprodukter (gammastråler, neutrinoer og kosmiske stråler) i nærliggende galakser og klynger samt direkte partikeldetekteringseksperimenter ved hjælp af supercolliders som LHC.
Ved supersymmetri udslettes wimps indbyrdes, hvilket skaber en kaskade af partikler og stråling, inklusive gammarenergi med mellemenergi
Da de ikke fandt noget, besluttede mange forskere at flytte væk fra WIMP-paradigmet og se efter mørkt stof andetsteds. En sådan gruppe kosmologer CERN og CP3-Origins i Danmark offentliggjorde for nylig en undersøgelse, der viste, at mørkt stof kan være meget tungere og svagere at interagere end tidligere antaget.
Et af medlemmerne af CP-3 Origins-forskerteamet, Dr. McCullen Sandora, talte om sit teams indsats:
Salgsfremmende video:
”Vi kan endnu ikke udelukke WIMP-scenariet, men hvert år mistænker vi mere og mere, end vi ikke har set noget. Derudover lider den sædvanlige svage skala af fysik under et hierarkiproblem. Det er uklart, hvorfor alle de partikler, vi kender, er så lette, især hvis man ser på den naturlige tyngdekraft, Planck-skalaen, som er omkring 1019 GeV. Så hvis mørkt stof var tættere på Planck-skalaen, ville det ikke blive påvirket af hierarkiproblemet, og det ville også forklare, hvorfor vi ikke har set signaturer forbundet med WIMP'er.”
Ved hjælp af en ny model, de kalder Plancks Interacting Dark Matter (PIDM), undersøger forskere en øvre grænse for massen af mørkt stof. Mens WIMP'erne placerer massen af mørkt stof i den øverste ende af elektrosvækket, foreslog det danske forskerteam af Martias Garney, McCullen Sandora og Martin Slot en partikel med en masse, der er på en helt anden naturlig skala - Planckian.
På Planck-skalaen svarer en masseenhed til 2.17645 x 10-8 kg - ca. et mikrogram eller 1019 gange massen af en proton. Ved denne masse er hver PIDM i det væsentlige så tung som en partikel kan være, før den bliver et sort sort hul. Gruppen foreslog også, at disse PIDM-partikler kun interagerer med almindeligt stof tyngdekraftigt, og at mange af dem blev dannet i det tidligste univers i en periode med stærk opvarmning - en periode, der begyndte i slutningen af inflationstiden, et sted fra 10-36 til 10- 33 eller 10-32 sekunder efter Big Bang.
Denne æra kaldes så fordi rumtemperaturer under inflation antages at være faldet 100.000 gange. Da inflationen sluttede, vendte temperaturerne tilbage til deres niveau før inflationen (ca. 1027 Kelvin). På dette tidspunkt er det meste af den potentielle energi i inflationsfeltet henfaldet til partikler af standardmodellen, der fyldte universet og blandt dem - mørkt stof.
Naturligvis kommer den nye teori med sin andel af konsekvenser for kosmologer. For at denne model kunne fungere, måtte temperaturen i opvarmningsperioden f.eks. Være højere, end man for tiden antog. Desuden ville en varmere opvarmningsperiode også skabe mere primære tyngdekraftsbølger, der ville blive reflekteret i den kosmiske mikrobølgebaggrund (CMB).
”Denne høje temperatur fortæller os to interessante ting om inflation,” siger Sandora. - Hvis mørkt stof er PIDM: For det første fortsatte inflationen med meget høje energier, hvilket ikke kun ville medføre udsving i temperaturen i det tidlige univers, men også i selve rumtiden i form af tyngdebølger. For det andet fortæller det os, at inflationens energi burde have henfaldt til stof ekstremt hurtigt, for hvis det tog lang tid, kunne universet køle ned til det punkt, hvorefter det slet ikke længere kunne producere PIDM.
Eksistensen af disse gravitationsbølger kan bekræftes eller udelukkes i fremtidige undersøgelser af den kosmiske mikrobølgebaggrund. Dette er ekstremt spændende nyhed, da den nylige opdagelse af tyngdebølger forventes at føre til fornyede bestræbelser på at opdage urbølger, der er rodfæstet i selve skabelsen af universet.
Som Sandora forklarede, præsenterer alt dette et klart win-win-scenario for forskere, da den nyeste kandidat til mørkt stof enten vil blive opdaget eller modbevist i den nærmeste fremtid.
”Vores scenarie forudsiger en jernklædt forudsigelse: vi vil se tyngdekraftsbølger i den næste generation af eksperimenter med den kosmiske mikrobølgebaggrund. Det vil sige, dette er en win-win: hvis vi ser dem, er det fint, og hvis vi ikke ser dem, så ved vi, at mørkt stof ikke er en PIDM, hvilket betyder, at vi må forvente noget af dets interaktion med almindeligt stof. Hvis alt dette sker i de næste ti år, kan vi kun vente utålmodigt."
Lige siden Jacobus Kaptein først foreslog eksistensen af mørkt stof i 1922, har forskere ledt efter direkte bevis for dets eksistens. Den ene efter den anden blev kandidater blandt partikler - fra gravitino til aksioner - foreslået, screenet ud og gik ind i verdenen af evig søgen. Hvis denne sidste kandidat utvetydigt nægtes eller bekræftes, er denne mulighed ikke allerede dårlig.
Når alt kommer til alt, hvis det bekræftes, løser vi et af de største kosmologiske mysterier nogensinde. Lad os komme et skridt nærmere forståelsen af universet, og hvordan dets mystiske kræfter interagerer med hinanden.
