Astrofysikere har de siste 80 ?rene v?rt klar over at brorparten av universet best?r av en ukjent, m?rk materie. N? kan l?sningen p? mysteriet v?re rett rundt hj?rnet.
– Vi leter etter et nytt medlem av v?rt partikkel-zoo for ? kunne forklare m?rk materie. Vi vet at det er et meget eksotisk beist. Og vi har funnet en plausibel forklaring, forteller f?rsteamanuensis i partikkelfysikk, Are Raklev p? Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han er universitetets fremste teoretiker i astropartikkelfysikk og har
lansert en modell som forklarer hva m?rk materie kan best? av og hvordan man kan oppdage de usynlige partiklene eksperimentelt.
Selv om m?rk materie er usynlig, vet astrofysikerne at den eksisterer. Uten den m?rke materien er det umulig ? forklare hvordan de synlige tingene i verdensrommet henger sammen.
80 ?rs kamp
Den verdensber?mte, sveitsiske fysikeren Fritz Zwicky spekulerte allerede p? trettitallet p? hva m?rk materie kunne v?re.
Astrofysikerne har regnet seg frem til at 80 prosent av all masse i verdensrommet er m?rk, ikke-synlig materie. Takket v?re gravitasjonskraften klumper den m?rke materien seg sammen som vanlig materie.
Den m?rke materien kan forklare hvorfor stjernene beveger seg slik de gj?r. Den m?rke materien kan ogs? forklare rotasjonshastigheten til galaksene.
– Selv om vi kan beregne hvor mye m?rk materie som fins i verdensrommet, vet vi fortsatt lite hva m?rk materie er. Partiklene i m?rk materie m? enten ha mye masse, eller det
m? v?re veldig mange av dem. N?ytrinoer oppfyller alle krav til m?rk materie. Men det er et stort aber. De har altfor liten masse.
Are Raklev pr?ver n? ? vise at m?rk materie best?r av gravitinoer. Dette er en partikkel som er blitt stemoderlig behandlet i en ?rrekke.
Og hva er gravitinoer? Hold deg fast: Gravitinoer er den supersymmetriske partneren til gravitoner.
Eller for ? v?re enda mer presis:
– Gravitinoet er den hypotetiske, supersymmetriske partneren til den hypotetiske partikkelen gravitonet, s? det g?r nesten ikke an ? spa frem en mer hypotetisk
partikkel enn denne, ler Raklev, som p? sine nettsider skriver at han leter etter m?rk materie b?de under sofaen og andre steder.
For ? kunne g? dypere inn i hvorfor Raklev mener m?rk materie best?r av gravitinoer, og i det hele tatt kunne forst? teorien bak gravitinoer, er Apollon n?dt til ? ta et par steg tilbake.
TEGN P? M?RK MATERIE: Bildet viser alle gammastr?lene, registrert av romsonden Fermi-LAT, som et kart over hele universet. Det r?de b?ndet gjennom midten av bildet er str?ling fra v?r egen galakse. Galaksesenteret er nesten midt i bildet. – Det er her man har sett et lite overskudd av gammastr?ler som man ikke umiddelbart kan forklare med den str?lingen som forventes fra vanlig materie. Observasjonene deres kan passe med modellene v?re om m?rk materie. Dette overskuddet av gammastr?ler er ikke synlig for ?yet v?rt, 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 ?nsker ? 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 ?yeblikket etter Big Bang. Hvis noen av dem har overlevd frem til i dag, kan de utgj?re m?rk materie.
Den supersymmetriske partneren til gravitinoet er, som Apollon nevnte, gravitonet.
– Et graviton er den partikkelen vi tror overf?rer gravitasjonskreftene, akkurat som fotonet, lyspartikkelen, overf?rer 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 ogs? gravitinoer. Og vice versa. Det er ren matematikk.
Men det er et lite men. Fysikerne kan ikke sl? fast sammenhengen mellom gravitoner og gravitinoer f?r de har klart ? forene alle naturkreftene.
Steg 2: Naturkreftene
En av fysikernes st?rste lengsler har v?rt ? koble alle naturkreftene sammen i en og samme teori. I midten av forrige ?rhundre 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 s? sterk og binder sammen kvarker til n?ytroner og
protoner.
P? 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 ? falle ned en trapp, er tyngdekraften den svakeste av de fire naturkreftene.
Problemet er at fysikerne enn? ikke har klart ? forene tyngdekraften med de tre andre naturkreftene. Den dagen fysikerne f?r en felles forst?else av alle de fire naturkreftene, kan de f? en unik forst?else av verden. Da er det mulig ? beskrive alle tenkelige interaksjoner mellom alle mulige partikler i naturen. Fysikerne kaller dette for TOE-teorien (Theory Of Everything).
– For ? koble sammen gravitasjonskraften med de tre andre naturkreftene, m? vi skj?nne tyngdekraften som kvanteteori. Da trenger vi en teori der partikkelen graviton inng?r i atomkjernen.
Forskere leter n? etter tegn p? b?de supersymmetri og TOE-teorien. Oppdagelsen av gravitinoet vil v?re et enormt steg i denne retningen.
Avsl?rer m?rk materie
Som leseren har f?tt med seg, er det sv?rt vanskelig ? forske p? m?rk materie. Forklaringen er at m?rk materie ikke har noen som helst elektromagnetiske relasjoner med
jordiske partikler. Et eksempel p? m?rk materie er de omtalte n?ytrinoene. Uheldigvis er n?ytrinoer bare en forsvinnende liten del av m?rk materie.
Selv om det ikke har v?rt mulig ? observere m?rk materie, raser det flere milliarder n?ytrinoer 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.
– N?r det ikke finnes noen elektromagnetiske relasjoner til synlige partikler, kan partiklene passere rett gjennom oss uten at noen m?leinstrumenter kan oppdage dem. Det er da supersymmetrien kommer inn. Hvis supersymmetrien stemmer, kan fysikerne forklare hvorfor det er m?rk materie i verdensrommet. Det er det som er det morsomme med jobben min, ler Raklev.
Han forfekter n? at m?rk materie for det meste best?r av gravitinoer.
– Supersymmetrien gj?r alt enklere. Hvis TOE-teorien eksisterer, alts? om det er mulig ? koble de fire naturkreftene, m? 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 kraftb?rende 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. S? vi har en forklaring p? at gravitinoer finnes.
Endret levealderen
Fysikerne har frem til i dag sett p? gravitinoer som et problem. De har ment at teorien om supersymmetri ikke fungerer fordi det er for mange gravitinoer.
– Fysikere har derfor jobbet for ? bli kvitt gravitinoene i modellene sine. Vi har derimot funnet en ny forklaring som forener supersymmetrimodellen med m?rk materie som best?r av gravitinoer. Hvis m?rk materie ikke er stabil, men bare veldig langlivet, er det mulig ? forklare hvordan m?rk materie best?r av gravitinoer.
I de gamle modellene har den m?rke materien alltid v?rt 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 sv?rt lang og faktisk lenger enn universets levetid.
Det er likevel stor forskjell p? uendelig levealder og levealder p? mer enn 15 milliarder ?r. Ved en begrenset levealder m? gravitinoer omdannes til andre partikler. Det er nettopp denne effekten av omdannelsen som kan m?les. Og omdanningen forklarer modellen.
– Vi mener at s? godt som all m?rk materie er gravitinoer. Forklaringen ligger i forferdelig grusom matematikk. Vi utvikler s?re modeller som regner p? konsekvensene av disse teoriene, og vi forutsier hvordan partiklene kan observeres i eksperimenter.
M?lingene er i gang
Forskerne pr?ver n? ? f? testet dette eksperimentelt og forklare hvorfor man enn? ikke har sett disse nye partiklene i CERN-eksperimentene i Geneve i Sveits.
– Det skal derimot v?re teoretisk mulig ? observere dem fra en romsonde.
Den enkleste m?ten ? observere gravitinoer p?, kunne v?re ? 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 sv?rt sjeldent, fins det likevel s? mye m?rk 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 s? sjeldent at vi aldri kan h?pe p? ? observere det.
Likevel er det h?p.
– 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 b?lge. Dette kalles ogs? for en gammastr?le.
NASA-romsonden Fermi-LAT m?ler for tiden gammastr?ler. En rekke forskergrupper analyserer n? dataene.
– Forel?pig har vi bare sett st?y. Men en av forskergruppene hevder de har observert et lite, mistenkelig overskudd av gammastr?ler fra sentrum av galaksen v?r. Observasjonene deres kan passe med modellene v?re, forteller mannen bak den grusomme, matematiske modellen for m?rk materie, f?rsteamanuensis i teoretisk partikkelfysikk, Are Raklev.