Mörk materia fortsätter att motstå våra bästa ansträngningar för att fastställa den. Även om mörk materia förblir en dominerande teori inom kosmologi, och det finns massor av bevis för att stödja ett universum fyllt med kall mörk materia, ger varje sökande efter mörk materia partiklar ingenting. En ny studie fortsätter den traditionen och utesluter en rad kandidater för mörk materia.
Vad vi vet om interaktioner med mörk materia. Kredit: Perimeter Institute
Om mörk materia partiklar finns vet vi att de inte kan interagera starkt med ljus. De måste interagera gravitationsmässigt, och de kan interagera via de starka och svaga kärnkrafterna också. Vi vet också att de inte kan vara mycket massiva partiklar. Om de var det, skulle de med tiden sönderfalla till lättare partiklar, och vi ser få bevis för detta. Detta lämnar tre breda kandidater: små svarta hål, sterila neutriner, eller någon typ av lätt boson. Detta senaste arbete fokuserar på det tredje alternativet.
En tabell med supersymmetriska partiklar. Kredit: Claire David / CERN
Kända elementarpartiklar av materia kan placeras i en av två kategorier: fermioner och bosoner. Så elektroner, kvarkar och neutriner är fermioner, medan fotoner och gluoner är bosoner. Inom standardmodellen för partikelfysik finns det inga bosoner som passar för mörk materia. Men vissa alternativa modeller förutspår partiklar som kan vara mörk materia. Supersymmetrimodeller förutspår till exempel att varje känd fermion måste ha en motsvarande boson och vice versa. Således skulle elektronen ha en motsvarig boson känd som selectron, fotonen skulle ha en motsvarig fermion känd som photino, och så vidare. En annan möjlighet är axioner, som föreslogs 1977 för att ta upp subtila aspekter av hur kvarkar interagerar.
Både axioner och supersymmetripartiklar kan vara lågmassabosoner och skulle tillfredsställa behoven hos mörk materia. Men om någon av dem finns har de inte hittats hittills. Ändå skulle dessa lätta bosoner interagera med vanlig materia gravitationsmässigt, därav denna senaste studie.
Bosoner kan bromsa ett svart hål som barn som hoppar på en karusell. Kredit: Jose-Luis Olivares, MIT
Om mörk materia är gjord av ljusa bosoner, skulle dessa partiklar spridas över universum, inklusive nära svarta hål. Ett svart hål skulle gravitationsmässigt fånga närliggande bosoner och därmed öka dess massa. Om ett svart hål roterar, skulle infångningen av mörk materia partiklar också tendera att sakta ner dess rotation. Du kan föreställa dig barn på en lekplats som har en karusell. Om barn hoppar på karusellen medan den snurrar, kommer karusellen att sakta ner något på grund av den tillsatta massan. Samma sak skulle gälla för svarta hål.
Med andra ord skulle mörk materia bosoner begränsa hastigheten som svarta hål roterar. Teamet insåg att tyngre bosoner skulle begränsa svarta hål mer, och lättare bosoner skulle begränsa dem mindre. Så de tittade på LIGO- och Jungfrudata för sammanslagningar av svarta hål, som berättar för oss rotationshastigheten för svarta hål innan de smälter samman. Det visar sig att några av dessa svarta hål roterade så snabbt att det utesluter förekomsten av ultralätta mörk materiabosoner. Baserat på denna studie kan mörk materia inte vara axioner eller lätta supersymmetripartiklar.
Så än en gång har ett sökande efter mörk materia inte visat oss vad mörk materia är, utan vad det inte är. Det är extremt frustrerande och potentiellt spännande eftersom vi snabbt har slut på alternativ för mörk materia.
Referens:Ng, Ken Ky, et al. ' Begränsningar för ultralätta skalära bosoner inom svarthålsspinnmätningar från LIGO-Virgo GWTC-2 .'Fysiska granskningsbrev126,15 (2021): 151102.