Standardmodellen för kosmologi berättar att endast 4,9% av universum består av vanlig materia (av vad vi kan se), medan resten är 26,8% mörk materia och 68,3% mörk energi. Som namnet på dessa begrepp antyder kan vi inte se dem, så deras existens måste följa av teoretiska modeller, observationer av universums storskaliga struktur och de uppenbara gravitationseffekterna som syns på synlig materia.
Ända sedan detta först pratades om har det definitivt inte brister i spekulationer om hur partiklar av mörk materia ser ut. För inte så länge sedan började många forskare tänka att mörk materia består av svagt interagerande massiva partiklar (WIMP, WIMP), som är ungefär 100 gånger massan av en proton, men interagerar som neutriner. Ändå har alla försök att hitta WIMP med hjälp av partikelacceleratorexperiment lett till ingenting. Därför började forskare reda ut möjliga alternativ till sammansättningen av mörk materia.
Moderna kosmologiska modeller brukar anta att massan av mörk materia ligger inom 100 GeV (gigaelectronvolt), vilket motsvarar massgränserna för många andra partiklar som interagerar med hjälp av en svag kärnkraft. Förekomsten av en sådan partikel skulle motsvara en supersymmetrisk utvidgning av standardmodellen för partikelfysik. Dessutom tros det att sådana partiklar borde ha fötts i ett varmt, tätt, tidigt universum, med massdensiteten av materia, som har varit oförändrad till denna dag.
Pågående experiment för att identifiera WIMP har dock inte hittat några konkreta bevis för förekomsten av sådana partiklar. Dessa inkluderade sökningar efter WIMP-förintelseprodukter (gammastrålar, neutriner och kosmiska strålar) i närliggande galaxer och kluster, samt direkta partikeldetekteringsexperiment med hjälp av superkollider som LHC.
Genom supersymmetri förintar wimps inbördes, vilket skapar en kaskad av partiklar och strålning, inklusive gammarenergistrålar
Många forskare hittade ingenting och bestämde sig för att flytta sig bort från WIMP-paradigmet och leta efter mörk materia någon annanstans. En sådan grupp kosmologer CERN och CP3-Origins i Danmark publicerade nyligen en studie som visade att mörk materia kan vara mycket tyngre och svagare att interagera än man tidigare trott.
En av medlemmarna i forskargruppen CP-3 Origins, Dr McCullen Sandora, berättade om sitt team:
Kampanjvideo:
”Vi kan ännu inte utesluta WIMP-scenariot, men varje år misstänker vi mer och mer än vi inte har sett någonting. Dessutom lider den vanliga svaga skalan av fysik av ett hierarkiproblem. Det är oklart varför alla partiklar vi känner är så lätta, speciellt om man tittar på den naturliga gravitationsskalan, Planck-skalan, som är ungefär 1019 GeV. Så om mörk materia var närmare Planck-skalan skulle det inte påverkas av hierarkiproblemet, och det skulle också förklara varför vi inte har sett signaturer associerade med WIMP."
Med en ny modell som de kallar Plancks Interacting Dark Matter (PIDM) undersöker forskare en övre gräns för massan av mörk materia. Medan WIMP: erna placerar massan av mörk materia i den övre änden av den elektrosvaga skalan, föreslog det danska forskargruppen Martias Garney, McCullen Sandora och Martin Slot en partikel med en massa som är i en helt annan naturlig skala - Planckian.
På Planck-skalan motsvarar en massenhet 2.17645 x 10-8 kg - ungefär ett mikrogram eller 1019 gånger massan av en proton. Vid den massan är varje PIDM väsentligen så tung som en partikel kan vara innan den blir ett miniatyrsvart hål. Gruppen föreslog också att dessa PIDM-partiklar endast interagerar med vanlig materia gravitationsmässigt och att många av dem bildades i det mycket tidiga universum under en period av stark uppvärmning - en period som började i slutet av inflationstiden, någonstans från 10-36 till 10- 33 eller 10-32 sekunder efter Big Bang.
Den här eran kallas så för att rymdtemperaturen tros ha sjunkit 100 000 gånger under inflationen. När inflationen slutade återvände temperaturerna till sin nivå före inflationen (cirka 1027 Kelvin). Vid den här tiden har det mesta av inflationsfältets potentiella energi gått sönder i partiklar av standardmodellen, som fyllde universum och bland dem - mörk materia.
Naturligtvis kommer den nya teorin med sin andel av konsekvenserna för kosmologer. För att till exempel denna modell ska fungera måste temperaturen i uppvärmningsperioden ha varit högre än vad man för närvarande tror. Dessutom skulle en varmare uppvärmningsperiod också skapa mer primära gravitationsvågor som skulle återspeglas i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB).
”Den här höga temperaturen berättar för oss två intressanta saker om inflationen”, säger Sandora. - Om mörk materia är PIDM: För det första fortsatte inflationen med mycket höga energier, vilket inte bara skulle orsaka fluktuationer i det tidiga universums temperatur utan också i själva rymdtiden i form av gravitationella vågor. För det andra säger det oss att inflationens energi borde ha förfallit till materia extremt snabbt, för om det tog lång tid kunde universum svalna till den punkt varefter det inte längre skulle kunna producera PIDM alls.
Förekomsten av dessa gravitationsvågor kan bekräftas eller uteslutas i framtida studier av den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Detta är extremt intressant nyheter, eftersom den senaste upptäckten av gravitationsvågor förväntas leda till förnyade ansträngningar för att upptäcka urvågor som är rotade i själva skapandet av universum.
Som Sandora förklarade presenterar allt detta ett tydligt vinn-vinn-scenario för forskare, eftersom den nyaste kandidaten för mörk materia antingen kommer att upptäckas eller motbevisas inom en snar framtid.
”Vårt scenario ger en järnklädd förutsägelse: vi kommer att se gravitationsvågor i nästa generation av experiment med den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Det vill säga detta är en vinn-vinn: om vi ser dem är det fantastiskt, och om vi inte ser dem, kommer vi att veta att mörk materia inte är en PIDM, varifrån det följer att en del av dess interaktion med vanlig materia bör förväntas. Om allt detta händer de närmaste tio åren kan vi bara vänta otåligt."
Sedan Jacobus Kaptein föreslog första gången mörk mörk materia 1922 har forskare letat efter direkt bekräftelse av dess existens. En efter en föreslogs partikelkandidater - från gravitinos till axions -, avskärmade och lämnades i den eviga strävan. Tja, om den sista kandidaten otvetydigt nekas eller bekräftas är det alternativet inte dåligt.
När allt kommer omkring, om det bekräftas, kommer vi att lösa ett av de största kosmologiska mysterierna genom tiderna. Låt oss komma ett steg närmare förståelsen av universum och hur dess mystiska krafter interagerar med varandra.
