Sådan ser det ud, når mørkt stof bombarderer Jorden

Af Birgitte Svennevig, birs@sdu.dk, 06-12-2017

Jorden er konstant på farten - suser afsted gennem rummet og støder hele tiden ind i myriader af partikler af mørkt stof. Ingen har nogen sinde set disse mystiske partikler, men fysikerne er ikke i tvivl om, at de findes. Derfor har de sat detektorer op forskellige steder på kloden i håb om at detektere bare en enkelt af dem.

Flere steder ledes der efter mørke partikler dybt under Jorden. Her er det Sanford Underground Research Facility. Foto: www.sanfordlab.org.

Mørke partikler kan trænge igennem alle former for normalt stof. Måske kan de suse direkte gennem vores planet uden at miste energi. Det kan også være, at de blevet sløvet af sammenstødet med det normale stof, som Jorden er lavet af og derfor mister energi.

- Vi ved det ikke, og det gør det absolut ikke nemmere at lede efter dem, siger Timon Emken, der er ph.d. studerende på Centre for Cosmology and Particle Physics Phenomonology (CP3) på Syddansk Universitet.

Følg partiklens rute

For at lære mere om de mørke partiklers reaktion med normalt stof har Timon Emken taget en supercomputers regnekraft til hjælp.

Resultatet er et computerprogram, der kan simulere mørke partiklers sammenstød med Jorden.

- Jeg kan nu bede computeren vise mig på skærmen, hvad der sker, når en mørk partikel rammer Jorden. På skærmen kan jeg f.eks. følge partiklens rute, fra den rammer jordoverfladen til den forlader Jorden igen, forklarer han.

Hvad nu, hvis mørkt stof ikke opfører sig, som vi tror?

Simuleringsprogrammet har fået navnet DaMaSCUS, og med det kan fysikere over hele verden nu teste forskellige teorier. Programmet er frit tilgængeligt, og arbejdet bag det er publiceret i tidsskriftet JCAP.

Iflg. standardparadigmet er der meget lille sandsynlighed for, at mørkt stof kan reagere med normalt stof, når det trænger gennem Jorden. Det er imidlertid lige det, som detektorer i dag er indstillet til i håb om at fange det sjældne øjeblik, hvor en mørk partikel kolliderer med et atom i en detektor.

- Men hvad nu hvis mørke partikler ikke opfører sig i overensstemmelse med standardparadigmet? Hvis de rent faktisk reagerer med almindelige atomer, og, når de krydser Jordens overflade og fortsætter ned i undergrunden, mister nok energi til at blive uopdagelige? Ja, så vil vi jo aldrig opdage dem, siger teoretisk fysiker og lektor Chris Kouvaris fra CP3.

Måske er det derfor, at vi ikke opfanger dem

Han interesserer sig bl.a. for muligheden af, at mørke partikler spredes i alle retninger, når de rejser gennem Jorden. Kouvaris og Emken har brugt DaMaSCUS til at demonstrere, hvordan sådan et scenarie udspiller sig.

I DaMaSCUS’s simulation ser man milliarder af mørke partikler trænge gennem Jordens overflade, hvorefter de spreder sig i zigzag bevægelser efter hver eneste kollision med et atom.

- Hvis dette scenarie er rigtigt, kan mørke partikler miste så meget energi, at de måske ikke kan opdages af de detektorer, vi bruger i dag.

Hvordan virker detektorerne?

Chris Kouvaris foreslår derfor at begynde at kigge efter mørke partikler på en anden måde.

I dag står der en række kæmpestore detektor-anlæg flere kilometer under Jordens overflade. At de er placeret så langt nede, er der en helt bestemt årsag til: hvis mørkt stof interagerer svagt med almindeligt stof (som neutrinoer også gør), kan kun disse to typer trænge gennem kilometervis af undergrund uden at blive stoppet.

Fordelen ved disse dybe detektorer er, at de undgår at blive forurenet af signaler fra kosmisk og jordisk stråling samt baggrundsstøj.

Måske skulle vi prøve sådan her

Men hvis mørkt stof er let, kan det interagere med normalt stof og dermed miste energi på sin vej til detektoren, og så kan de dybt placerede detektorer ikke fange det.

- I så fald vil det give mere mening at leder efter signaler fra mørkt stof på Jordens overflade, siger han.

For at undgå problemet med baggrundsstøj på jordoverfladen foreslår han at kigge efter variationer i signaler fra det mørke stof i stedet for at forsøge at skelne mellem mørkt stof og baggrundsstøj.

Sanford Underground Research Facility. Foto: www.sanfordlab.org.

Det mørke stof rammer Jorden fra en bestemt retning

Eftersom Jorden bevæger sig i relation til centrum af vores galakse, Mælkevejen, ved vi, at mørkt stof primært rammer Jorden fra en bestemt retning. Men Jorden roterer jo også om sin egen akse, og derfor vil mørke partikler fra den bestemte retning tilbagelægge forskellige afstande i løbet af et døgns 24 timer.

Jo længere afstand, mørke partikler tilbagelægger under Jordens overfalde, jo større er sandsynligheden for, at de spredes. Det bedste sted på Jorden at udnytte dette fænomen er på den sydlige himmelkugle omkring 40. breddegrad i lande som Argentina, Chile og New Zealand.

Ved at bruge DaMaSCUS kan Kouvaris og Emken ganske præcist bestemme de træk ved de daglige signal-variationer, der kan føre til opdagelsen af mørkt stof, nemlig fase og amplitude.

Hvad skal der nu ske?

Chris Kouvaris er nu indgået i det internationale samarbejde om at detektere mørkt stof, DAMIC. Samarbejdet råder over en transportabel detektor, som potentielt kan bruges til at teste hans ideer, og som i næste fase vil komme til at veje ca. 1 kg. Denne detektor indeholder silicium, fremstillet af den danske virksomhed, Topsil.