Kosmologins standardmodell säger att endast 4,9 % av universum består av vanlig materia (dvs det som vi kan se), medan resten består av 26,8 % mörk materia och 68,3 % mörk energi. Som namnen antyder kan vi inte se dem, så deras existens har behövt slutas utifrån teoretiska modeller, observationer av universums storskaliga struktur och dess uppenbara gravitationseffekter på synlig materia.
Sedan det först föreslogs har det inte funnits brist på förslag på hur mörk materia-partiklar ser ut. För inte så länge sedan föreslog många forskare att mörk materia består av svagt interagerande massiva partiklar (WIMPs), som är ungefär 100 gånger massan av en proton men interagerar som neutriner. Men alla försök att hitta WIMPs med hjälp av kolliderarexperiment har blivit tomma. Som sådan har forskare undersökt idén på sistone att mörk materia kan vara sammansatt av något helt annat.
Nuvarande kosmologiska modeller tenderar att anta att massan av mörk materia är runt 100 Gev (Giga-elektrovolt), vilket motsvarar massskalan för många av de andra partiklarna som interagerar via svag kärnkraft. Förekomsten av en sådan partikel skulle vara förenlig med supersymmetriska förlängningar av Standardmodell för partikelfysik . Man tror vidare att sådana partiklar skulle ha producerats i det varma, täta, tidiga universum, med en materiens massatäthet som har förblivit konsekvent till denna dag.
Enligt supersymmetri förintar WIMPs varandra, vilket skapar en kaskad av partiklar och strålning som inkluderar medelenergigammastrålar. Kredit: Sky & Telescope / Gregg Dinderman.
Pågående experimentella ansträngningar för att upptäcka WIMP har dock inte lyckats producera några konkreta bevis för dessa partiklar. Dessa har bland annat sökt efter produkterna från WIMP-förintelse (d.v.s. gammastrålar, neutriner och kosmiska strålar) i närliggande galaxer och kluster, såväl som direktdetekteringsexperiment med superkollider, som CERN Stor Hadron Collider (LHC) i Schweiz.
På grund av detta har många forskarlag börjat överväga att se bortom WIMPs paradigm för att hitta mörk materia. Ett sådant team består av en grupp kosmologer från CERN och CP3-ursprung i Danmark, som nyligen släppt en studie vilket indikerar att mörk materia kan vara mycket tyngre och mycket mindre interagerande än tidigare trott.
Som Dr. McCullen Sandora, en av forskargruppens medlemmar från CP-3 Origins, sa till Universe Today via e-post:
'Vi kan inte utesluta WIMP-scenariot ännu, men för varje år som går blir det mer och mer misstänkt att vi inte har sett någonting. Dessutom lider den vanliga fysiken i svag skala av hierarkiproblemet. Det är därför alla partiklar vi känner till är så lätta, speciellt med hänsyn till den naturliga gravitationsskalan, Planckskalan, som är cirka 1019GeV. Så om mörk materia var närmare Planck-skalan, skulle den inte drabbas av hierarkiproblemet, och detta skulle också förklara varför vi inte har sett signaturerna förknippade med WIMPs.'
Med hjälp av en ny modell som de kallar Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), har teamet utforskat den övre gränsen för massan av mörk materia. Medan WIMPs placerar massan av mörk materia vid den övre gränsen av den elektrosvaga skalan, föreslog det danska forskarteamet Marthias Garny, McCullen Sandora och Martin S. Sloth en partikel med en massa nära en annan naturlig skala helt och hållet – Planckskalan.
Kosmisk tidslinje, från Big Bang till idag. Kredit: NASA
På Planck-skalan motsvarar en enda massaenhet 2,17645 × 10-8kg – ungefär ett mikrogram, eller 1019gånger större än en protons massa. Vid denna massa är varje PIDM i princip så tung som en partikel kan vara innan den blir ett svart hål i miniatyr. Teamet har också en teori om att dessa PIDM-partiklar interagerar med vanlig materia endast genom gravitation och att ett stort antal av dem bildades i det mycket tidiga universum under 'återuppvärmningsepoken' – en period som inträffade i slutet av inflationsperioden, cirka 10-36t0 10-33eller 10-32sekunder efter Big Bang.
Denna epok kallas så för att under inflation tros kosmiska temperaturer ha sjunkit med en faktor på 100 000 eller så. När uppblåsningen upphörde återgick temperaturerna till sin temperatur före inflationen (uppskattningsvis 1027K). Vid denna tidpunkt förföll den stora potentiella energin i inflationsfältet till standardmodellpartiklar som fyllde universum, vilket skulle ha inkluderat mörk materia.
Naturligtvis kommer denna nya teori med sin del av implikationer för kosmologer. Till exempel, för att denna modell skulle fungera, skulle temperaturen under uppvärmningsepoken ha varit högre än vad som för närvarande antas. Dessutom skulle en varmare uppvärmningsperiod också resultera i skapandet av mer primordiala gravitationsvågor, som skulle vara synliga i den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB).
'Att ha en så hög temperatur säger oss två intressanta saker om inflation', säger Sandora. 'Om mörk materia visar sig vara en PIDM: den första är att inflationen ägde rum med en mycket hög energi, vilket i sin tur betyder att den kunde producera inte bara fluktuationer i temperaturen i det tidiga universum, utan också i rumtiden själv, i form av gravitationsvågor. För det andra säger det oss att inflationsenergin var tvungen att förfalla till materia extremt snabbt, för om det hade tagit för lång tid skulle universum ha svalnat till en punkt där det inte skulle ha kunnat producera några PIDMs alls.'
Framtida studier av den kosmiska mikrovågsbakgrunden (CMB) kan berätta mer om den sanna naturen hos mörk materia. Kredit: NASA/WMAP
Förekomsten av dessa gravitationsvågor kan bekräftas eller uteslutas av framtida studier som involverar Cosmic Microwave Background (CMB). Detta är spännande nyheter, eftersom nyligen upptäckt av gravitationsvågor förväntas leda till förnyade försök att upptäcka primordiala vågor som går tillbaka till själva skapandet av universum.
Som Sandora förklarade presenterar detta ett win-win-scenario för forskare, eftersom det innebär att den här senaste kandidaten för Dark Matter kommer att kunna bevisas eller motbevisas inom en snar framtid.
'[Vårt scenario gör en konkret förutsägelse: vi kommer att se gravitationsvågor i nästa generation av kosmiska mikrovågsbakgrundsexperiment. Därför är det ett scenario utan förlust: om vi ser dem är det bra, och om vi inte ser dem vet vi att mörk materia inte är en PIDM, vilket kommer att innebära att vi vet att det måste ha några ytterligare interaktioner med vanlig materia. Och allt detta kommer att hända inom det närmaste decenniet eller så, vilket ger oss mycket att se fram emot.”
Ända sedan Jacobus Kapteyn först föreslog existensen av mörk materia 1922, har forskare letat efter några direkta bevis på dess existens. Och en efter en, kandidatpartiklar – allt från gravitinos och MACHOS till axioner – har föreslagits, vägts och befunnits sakna. Om inte annat är det bra att veta att denna senaste kandidatpartikels existens kan bevisas eller uteslutas inom en snar framtid.
Och om det visar sig vara korrekt kommer vi att ha löst ett av de största kosmologiska mysterierna genom tiderna! Ett steg närmare att verkligen förstå universum och hur dess mystiska krafter samverkar. Theory of Everything, här kommer vi (eller inte)!
Vidare läsning: Fysiska granskningsbrev