Revolusjonerende teori om mørk materie

Universet bugner av mørk materie. Ingen vet hva den består av. Nå har UiO-fysikere lansert en grusom, matematisk forklaring som kan løse gåten en gang for alle.

 

 

LETER ETTER MØRK MATERIE: Are Raklev, universitetets fremste teoretiker i astropartikkelfysikk, har lansert en matematisk modell som forklarer hva mørk materie kan bestå av. Foto:  Yngve Vogt

Astrofysikere har de siste 80 årene vært klar over at brorparten av universet består av en ukjent, mørk materie. Nå kan løsningen på mysteriet være rett rundt hjørnet.


– Vi leter etter et nytt medlem av vårt partikkel-zoo for å kunne forklare mørk materie. Vi vet at det er et meget eksotisk beist. Og vi har funnet en plausibel forklaring, forteller førsteamanuensis i partikkelfysikk, Are Raklev på Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han er universitetets fremste teoretiker i astropartikkelfysikk og har
lansert en modell som forklarer hva mørk materie kan bestå av og hvordan man kan oppdage de usynlige partiklene eksperimentelt.


Selv om mørk materie er usynlig, vet astrofysikerne at den eksisterer. Uten den mørke materien er det umulig å forklare hvordan de synlige tingene i verdensrommet henger sammen.


80 års kamp

Den verdensberømte, sveitsiske fysikeren Fritz Zwicky spekulerte allerede på trettitallet på hva mørk materie kunne være.


Astrofysikerne har regnet seg frem til at 80 prosent av all masse i verdensrommet er mørk, ikke-synlig materie. Takket være gravitasjonskraften klumper den mørke materien seg sammen som vanlig materie.


Den mørke materien kan forklare hvorfor stjernene beveger seg slik de gjør. Den mørke materien kan også forklare rotasjonshastigheten til galaksene.


– Selv om vi kan beregne hvor mye mørk materie som fins i verdensrommet, vet vi fortsatt lite hva mørk materie er. Partiklene i mørk materie må enten ha mye masse, eller det
må være veldig mange av dem. Nøytrinoer oppfyller alle krav til mørk materie. Men det er et stort aber. De har  altfor liten masse.


Are Raklev prøver nå å vise at mørk materie består av gravitinoer. Dette er en partikkel som er blitt stemoderlig behandlet i en årrekke.


Og hva er gravitinoer? Hold deg fast: Gravitinoer er den supersymmetriske partneren til gravitoner.


Eller for å være enda mer presis:

– Gravitinoet er den hypotetiske, supersymmetriske partneren til den hypotetiske partikkelen gravitonet, så det går nesten ikke an å spa frem en mer hypotetisk
partikkel enn denne, ler Raklev, som på sine nettsider skriver at han leter etter mørk materie både under sofaen og andre steder.

For å kunne gå dypere inn i hvorfor Raklev mener mørk materie består av gravitinoer, og i det hele tatt kunne forstå teorien bak gravitinoer, er Apollon nødt til å ta et par steg tilbake.

 

 

 

TEGN PÅ MØRK MATERIE: Bildet viser alle gammastrålene, registrert av romsonden Fermi-LAT, som et kart over hele universet. Det røde båndet gjennom midten av bildet er stråling fra vår egen galakse. Galaksesenteret er nesten midt i bildet. – Det er her man har sett et lite overskudd av gammastråler som man ikke umiddelbart kan forklare med den strålingen som forventes fra vanlig materie. Observasjonene deres kan passe med modellene våre om mørk materie. Dette overskuddet av gammastråler er ikke synlig for øyet vårt, men kan finnes ved en tidkrevende analyse av dataene, forteller Are Raklev, som minner om at analysen fortsatt er litt usikker.

 

Steg 1: Supersymmetrien

Fysikerne ønsker å finne ut av om naturen er supersymmetrisk. Supersymmetri betyr at det er en symmetri mellom stoff og krefter. For hver type elektroner og kvarker fins det tilsvarende tunge, supersymmetriske partnere. De supersymmetriske partiklene ble skapt i øyeblikket etter Big Bang. Hvis noen av dem har overlevd frem til i dag, kan de utgjøre mørk materie.


Den supersymmetriske partneren til gravitinoet er, som Apollon nevnte, gravitonet.


– Et graviton er den partikkelen vi tror overfører gravitasjonskreftene, akkurat som fotonet, lyspartikkelen, overfører elektromagnetisk kraft. Mens gravitoner ikke veier noe som helst, kan gravitinoene veie en god del. Hvis naturen er supersymmetrisk og det finnes gravitoner, fins det også gravitinoer. Og vice versa. Det er ren matematikk.


Men det er et lite men. Fysikerne kan ikke slå fast sammenhengen mellom gravitoner og gravitinoer før de har klart å forene alle naturkreftene.


Steg 2: Naturkreftene

En av fysikernes største lengsler har vært å koble alle naturkreftene sammen i en og samme teori. I midten av forrige århundre oppdaget fysikerne at elektrisitet og
magnetisme var en del av den samme naturkraften. Denne kraften er siden blitt kalt for elektromagnetismen. To av de andre naturkreftene er den sterke og den svake kjernekraften. Den svake kjernekraften ser vi blant annet i radioaktivitet. Den sterke kjernekraften er ti milliarder ganger så sterk og binder sammen kvarker til nøytroner og
protoner.


På 70-tallet ble elektromagnetismen bundet sammen med den svake og sterke kjernekraften i det fysikerne kaller standardmodellen.


Den fjerde naturkraften er tyngdekraften. Selv om det er utrolig vondt å falle ned en trapp, er tyngdekraften den svakeste av de fire naturkreftene.


Problemet er at fysikerne ennå ikke har klart å forene tyngdekraften med de tre andre naturkreftene. Den dagen fysikerne får en felles forståelse av alle de fire naturkreftene, kan de få en unik forståelse av verden. Da er det mulig å beskrive alle tenkelige interaksjoner mellom alle mulige partikler i naturen. Fysikerne kaller dette for TOE-teorien (Theory Of Everything).


– For å koble sammen gravitasjonskraften med de tre andre naturkreftene, må vi skjønne tyngdekraften som kvanteteori. Da trenger vi en teori der partikkelen graviton inngår i atomkjernen.


Forskere leter nå etter tegn på både supersymmetri og TOE-teorien. Oppdagelsen av gravitinoet vil være et enormt steg i denne retningen.


Avslører mørk materie

Som leseren har fått med seg, er det svært vanskelig å forske på mørk materie. Forklaringen er at mørk materie ikke har noen som helst elektromagnetiske relasjoner med
jordiske partikler. Et eksempel på mørk materie er de omtalte nøytrinoene. Uheldigvis er nøytrinoer bare en forsvinnende liten del av mørk materie.
 

Selv om det ikke har vært mulig å observere mørk materie, raser det flere milliarder nøytrinoer gjennom kroppen din hvert sekund. Hastigheten er dog noe begrenset. Partiklene beveger seg like sakte som den hastigheten solsystemet har rundt galaksen. Det vil si fattige 400 kilometer i sekundet.


– Når det ikke finnes noen elektromagnetiske relasjoner til synlige partikler, kan partiklene passere rett gjennom oss uten at noen måleinstrumenter kan oppdage dem. Det er da supersymmetrien kommer inn. Hvis supersymmetrien stemmer, kan fysikerne forklare hvorfor det er mørk materie i verdensrommet. Det er det som er det morsomme med jobben min, ler Raklev.


Han forfekter nå at mørk materie for det meste består av gravitinoer.


– Supersymmetrien gjør alt enklere. Hvis TOE-teorien eksisterer, altså om det er mulig å koble de fire naturkreftene, må det finnes gravitinoer.
 

Gravitinoene ble dannet rett etter Big Bang.


– Kort tid etter Big Bang hadde vi en suppe med partikler som kolliderte. Gluoner, som er de kraftbærende partiklene i den sterke kjernekraften, kolliderte med andre gluoner og avga gravitinoer. Det ble dannet mange gravitinoer etter Big Bang, mens universet fortsatt var plasma. Så vi har en forklaring på at gravitinoer finnes.


Endret levealderen

Fysikerne har frem til i dag sett på gravitinoer som et problem. De har ment at teorien om supersymmetri ikke fungerer fordi det er for mange gravitinoer.


– Fysikere har derfor jobbet for å bli kvitt gravitinoene i modellene sine. Vi har derimot funnet en ny forklaring som forener supersymmetrimodellen med mørk materie som består av gravitinoer. Hvis mørk materie ikke er stabil, men bare veldig langlivet, er det mulig å forklare hvordan mørk materie består av gravitinoer.
 

I de gamle modellene har den mørke materien alltid vært evigvarende. Da var gravitinoer en plagsom del av supersymmetrimodellen. I den nye modellen til Raklev er levetiden ikke lenger uendelig. Likevel er den gjennomsnittlige levetiden til gravitinoer svært lang og faktisk lenger enn universets levetid.


Det er likevel stor forskjell på uendelig levealder og levealder på mer enn 15 milliarder år. Ved en begrenset levealder må gravitinoer omdannes til andre partikler. Det er nettopp denne effekten av omdannelsen som kan måles. Og omdanningen forklarer modellen.
 

– Vi mener at så godt som all mørk materie er gravitinoer. Forklaringen ligger i forferdelig grusom matematikk. Vi utvikler sære modeller som regner på konsekvensene av disse teoriene, og vi forutsier hvordan partiklene kan observeres i eksperimenter.


Målingene er i gang

Forskerne prøver nå å få testet dette eksperimentelt og forklare hvorfor man ennå ikke har sett disse nye partiklene i CERN-eksperimentene i Geneve i Sveits.


– Det skal derimot være teoretisk mulig å observere dem fra en romsonde.


Den enkleste måten å observere gravitinoer på, kunne være å studere hva som skjer hvis to slike partikler kolliderer ute i universet og omdannes til andre partikler, slik som fotoner eller antimaterie.

Selv om kollisjonene skjer svært sjeldent, fins det likevel så mye mørk materie i universet at det burde kunne produseres et betydelig antall fotoner. Det store problemet er at gravitinoer ikke kolliderer.

– Det skjer i hvert fall så sjeldent at vi aldri kan håpe på å observere det.

Likevel er det håp.

– Det heldige for oss er at gravitinoer ikke er hundre prosent stabile. De omdannes etter hvert til noe annet. Vi kan forutsi hvordan signalet ser ut etter at gravitinoer har blitt omdannet. Omdanningen vil sende ut en liten elektromagnetisk bølge. Dette kalles også for en gammastråle.
NASA-romsonden Fermi-LAT måler for tiden gammastråler. En rekke forskergrupper analyserer nå dataene.

– Foreløpig har vi bare sett støy. Men en av forskergruppene hevder de har observert et lite, mistenkelig overskudd av gammastråler fra sentrum av galaksen vår. Observasjonene deres kan passe med modellene våre, forteller mannen bak den grusomme, matematiske modellen for mørk materie, førsteamanuensis i teoretisk partikkelfysikk, Are Raklev.

Av Yngve Vogt
Publisert 7. des. 2012 07:26 - Sist endret 7. des. 2012 07:26
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere