– Vi vet ikke hva det er, men vi vet at det er der, og vi kaller det for m?rk materie for ? ha et navn p? det, forklarer fysikkprofessor Are Raklev.
Han er den av dem som leter etter m?rk materie og alt det kan v?re. P? 70-tallet begynte fysikere for alvor ? ane at det m?tte v?re mer materie i universet enn det som kunne observeres. Fysikerne studerte fjerne galakser og s? at de ytterste stjernene beveget seg raskere enn de burde i forhold til den massen galaksene hadde. Dermed m?tte det finnes mer masse for ? ha nok tyngdekraft til ? holde disse stjernene p? plass. Det var startskuddet for jakten p? dette merkelige stoffet. Et halvt ?rhundre senere leter forskerne fremdeles etter forklaringer p? hva denne ukjente massen kan v?re.
Denne teksten er basert p? en episode fra Universitetsplassen podkast. I episoden m?tes fysikkprofessor Are Raklev og postdoktor Anders Kvellestad fra Fysisk institutt ved Universitetet i Oslo til en samtale om hva m?rk materie kan v?re, hvor den befinner seg og hvordan i all verden man leter etter noe man ikke vet hva er.
Vi vet mer enn vi gjorde for femti ?r siden
– Ofte blir det sagt at vi vet ingenting om hva m?rk materie er, men det er ikke sant. For hvert nye eksperiment og for hver nye dataanalyse vet vi mer selv om vi ikke fant m?rk materie. Det betyr at vi har utelukket en del alternativer, forklarer postdoktor Anders Kvellestad.
Han illustrerer poenget med ? si at dersom du har mistet n?klene og leter under b?de en og to sofaputer uten ? finne dem, s? har du i alle fall utelukket at de befinner seg der. Da vet du mer enn f?r du begynte ? lete. B?de Kvellestad og Raklev er teoretikere. Deres jobb best?r i ? teste ulike teorier for hva m?rk materie kan v?re.
– Det finnes mange teorier, og vi jobber med ? snevre inn antallet og finne ut hvilke teorier som er mest sannsynlige gitt de dataene vi har, og de dataene vi kan f?. Vi m? teste s? mange teorier som mulig. Det betyr at vi m? skrive store, smarte dataprogrammer og s? se p? hver teori og teste om den kan stemme, hvor godt den stemmer, og om den stemmer bedre enn andre teorier, forklarer Kvellestad.
Nye teorier oppst?r sjelden p? nachspiel
– Kan hvem som helst komme med en ny teori, for eksempel p? et nachspiel i en studentkjeller?
– Problemet er da ? huske den morgenen etterp?, smiler Raklev.
Han utdyper at selv om hvem som helst st?r fritt til ? komme med nye teorier er det noen konkrete kriterier som m? v?re oppfylt.
– Det ene er at vi har kalt det m?rk materie av en grunn. Den vekselvirker ikke med elektromagnetisme. Det vil si at den ikke sender ut eller absorberer lys, forklarer Raklev.
Videre forteller han at dersom den m?rke materien er en partikkel m? den ha ganske stor masse for ? p?virke gravitasjonen s? mye som forskerne har observert. I tillegg vet de at den beveger seg ganske langsomt og er stabil.
M?rk materie kan v?rer sorte hull eller partikler
– Vi er jo partikkelfysikere, s? vi h?per at det er en ny type partikler, sier Raklev. Men det finnes ogs? andre forslag som blir tatt seri?st. Et av dem er at det kan v?re sorte hull, og da spesielt sorte hull fra begynnelsen av universet.
Selv holder Raklev med partikkelteorien. Det er flere mulige partikler det kan v?re. Det er flere m?ter forskerne jobber med ? bekrefte denne teorien p?. Det ene er ? fors?ke ? lage den p? CERN. Det andre er ? m?le den direkte ved hjelp av sv?rt sensitive detektorer.
P? grensen mellom Sveits og Frankrike ligger CERN. Det er et enormt anlegg for ? krasje partikler, som protoner. I disse kollisjonene studerer fysikere fra hele verden det som skjer. Et av m?lene er ? klare ? lage m?rk materie.
– Det vi vet er at den m?rke materien stort sett g?r rett gjennom vanlig materie, s? hvis vi klarer ? lage den vil den bare forsvinne. Hvordan skal vi da klare ? oppdage en partikkel som bare forsvinner med én gang vi har laget den, og som g?r rett gjennom alt av detektorer, undrer Raklev.
Raklev forklarer videre at det er mulig ? bruke fysikkens lover til ? se etter hva som mangler i en slik kollisjon. Energi og bevegelsesmengde skal v?re bevart, s? hvis det er noe som mangler kan det v?re et tegn p? m?rk materie.
Dersom forskerne finner noe...
Dersom m?rk materie skulle dukke opp i et eksperiment vil det likevel ta tid ? finne ut hva som faktisk har blitt funnet. If?lge Raklev vil et funn trolig rapporteres som ?overskudd av hendelser med manglende energi er oppdaget?. En slik rapport vil ikke engang ha m?rk materie i overskriften.
– Dersom du har observert at noe forsvinner, vet du fremdeles ikke at det er m?rk materie. Du vet bare at du har skapt en ny partikkel som blir borte, men kanskje er det noe annet. Hvordan kan du v?re sikker p? at det er den samme m?rke materien som finnes ute i galaksene? Da m? du unders?ke mer, konstaterer Raklev.
Kvellestad er mer optimistisk: Dersom vi finner den popper vi champagnen!
– Det er eksperimentalistene som kommer til ? gj?re det, repliserer Raklev, og s? kommer det lange perioder der vi kommer til ? se n?rmere p? hva vi har funnet og hva slags egenskaper det har. Det er veldig tvilsomt at m?rk materie er én ny partikkel. Sannsynligvis er det mange nye partikler, og da er det ganske mange ekstra ting vi er n?dt til ? finne ut av. Det er alltid nye mysterier ? grave i!
Det finnes partikler som oppf?rer seg som m?rk materie
– Et av problemene med dette er at vi allerede vet om partikler som oppf?rer seg litt som m?rk materie, sier Kvellestad.
Det finnes en partikkel som oppf?rer seg ganske likt det forskerne forventer av m?rk materie. Disse partiklene kalles n?ytrinoer. Det er en type element?rpartikler. Disse partiklene blir ikke p?virket av annen materie og er elektrisk n?ytrale. Slike partikler produseres blant annet inne i solen, og if?lge Kvellestad blir vi stadig vekk truffet av n?ytrinoer, uten at det p?virker oss p? noen m?te.
– P? en m?te er disse n?ytrinoene et bidrag til m?rk materie, men det er ikke nok av dem, utdyper Raklev.
Problemet er alts? at selv om n?ytrinoene har mange av de forventede egenskapene, er det p? langt n?r nok av dem til ? forklare galaksenes bevegelser. Problemet med n?ytrinoene er imidlertid at de ogs? dukker opp p? CERN.
– Du kan ikke anta at du har produsert m?rk materie hvis du finner noe som likner. F?rst m? du anta at det var n?ytrinoer, og s? m? du utelukke at det var det, forklarer Kvellestad.
Med gode teorier og modeller er det mulig ? forutsi mengden n?ytrinoer som skal dukke opp.
– Vi er teoretikere s? vi kan regne ut hvor mange n?ytrinoer og hvor mange m?rk materie-paritkler du burde f?. Da blir det etter hvert en tellejobb. Vi kan lage n?yaktige modeller av hva eksperimentalistene burde finne, forklarer Raklev.
Venter p? ? bli truffet av m?rk materie
Det er flere metoder for ? jakte p? m?rk materie. Fremfor ? fors?ke ? lage den er det ogs? mulig ? pr?ve ? observere den. If?lge Raklev er det mulig ? bygge sv?rt sensitive detektorer. Deretter er det bare ? vente p? at m?rk materie skal treffe et atom inne i sensoren. Dette skjer trolig ikke s? ofte, og dermed trengs det store mengder stoff som blir observert for ? ?ke sannsynligheten.
– Denne kollisjonen er ikke veldig spektakul?re greier, s? da m? da m? du ha et veldig sensitivt anlegg. Da f?r du fort problemer med st?y, sier Raklev.
En av st?ykildene er kosmisk str?ling fra rommet. Det er ?rsaken til at de fleste av disse detektorene bygges dypt i en gruve eller under et fjell. Der inne er det andre problemer, som naturlig radioaktivitet.
– Disse eksperimentene g?r stort sett ut p? ? beskytte detektoren, slik at du er helt sikker p? at det eneste som virkelig treffer detektoren er m?rk materie. S? er det bare ? vente, og vente og vente, sier Raklev.
Kan det v?re en regnefeil?
If?lge forskerne er det mange grunner til ? tro at m?rk materie eksisterer. Hvordan skal man ellers forklare fjerne stjernes hastighet i forhold til massen?
– Folk har foresl?tt alternativer slik som at vi ikke helt forst?r gravitasjon og at den underlige oppf?rselen vi ser der ute skyldes at vi m? modifisere gravitasjonslovene v?re, sier Raklev. Men vi har pr?vd, og det g?r ikke opp.
If?lge professoren er det ikke mulig ? endre gravitasjonen p? en slik m?te at modellen av universet fungerer p? alle skalaer fra solsystem til galaksehoper.
– Vi er rimelig sikre p? at m?rk materie ikke skyldes en regnefeil, sier han.
I eksperimentene fors?ker forskerne ? sikre seg mot feil ved ? ha nok data. Det er tusenvis av forskere som jobber med ulike typer fors?k.
– Og s? er det bare ? h?pe at det ikke er noen l?se kabler eller andre ting. Da kan vi driste oss til ? tro at vi har funnet noe nytt, humrer Raklev.
Slik vet forskerne hvor mye m?rk materie det m? v?re
If?lge Raklev er det ganske nylig, rundt 2000-tallet, at forskerne ble helt sikre p? at 80 % av materien i universet er av den ukjente sorten. Om man ser p? den totale energien i universet blir det enda rarere. Her utgj?r vanlig materie ca. 5 %, m?rk materie ca. 27%, og resten er m?rk energi.
– Den vet vi om mulig enda mindre om, sier Kvellestad. Det ser ut til ? v?re en slags energi som er knyttet til selve rommet og som vi tror er ansvarlig for at verdensrommet utvider seg raskere og raskere.
M?rk energi er if?lge ham, ikke det samme som m?rk materie, og energien kan heller ikke brukes til ? forklare stjernenes fart eller andre sp?rsm?l som vanligvis knyttes til m?rk materie.
– Noe av det vi kan gj?re som teoretikere er ? bake en universkake. Du kan ta noen ingredienser og se hva slags univers du f?r ut av det. Da kan du ta ingrediensene m?rk materie, vanlig materie, m?rk energi pluss litt str?ling og variere dette i ulike mengder og se hva slags kake du f?r.
Raklev hevder at det kun er én fordeling av ingrediensene som gir oss det universet vi har i dag.
Vi p?virkes ikke av m?rk materie i hverdagen
– Du p?virkes ikke nevneverdig av alle disse n?ytrinoene som farer gjennom kroppen din til enhver tid. Jeg ville ikke bekymret meg for ? bli sl?tt i hodet av m?rk materie, sier Kvellestad humoristisk.
Selv om vi kan g? gjennom livet tilsynelatende up?virket av m?rk materie er det sv?rt mange som vier livet til ? lete etter den. Hvorfor gj?r de det?
– Det er g?y. Trenger vi noen annen grunn, utbryter Kvellestad.
Raklev utdyper:
– Det ? utforske universet v?rt er noe grunnleggende i menneskers natur. Vi har gjort det i hele v?r historie. Det ? ha kunnskap har en verdi i seg selv. Jeg ser p? meg selv som ekstremt privilegert som f?r betalt for ? finne ut av hvordan universet fungerer.
Videre forteller Raklev at mens forskerne leter etter m?rk materie har dette en rekke positive bieffekter for samfunnet.
– Det ? pushe denne forskningen videre utvikler teknologi og teknikker som brukes mange andre steder. Kroneksempelet er nettet, world wide web, som ble funnet opp p? CERN for ? organisere data. Grunnen til at du kan sitte p? VG skyldes eksperimenter i partikkelfysikk, sier Raklev.
Med p? kj?pet f?lger ogs? alle studentene som trenes opp i vitenskapelig probleml?sning og moderne beregningsteknikker som maskinl?ring, og som tar med seg kompetansen ut i arbeidslivet.
Lytt til mer fra Universitetsplassen podkast
Universitetsplassen er en forskerbasert podkast om samfunnet produsert av Universitetet i Oslo. Her m?tes b?de unge og erfarne forskere for ? snakke om det de mener er viktig og aktuelt, sammen med gjester fra norsk samfunnsliv.
Vil du gi oss tips og tilbakemeldinger kan du sende en epost til podkast-universitetsplassen@uio.no.