Decennier av jakt på mörk materia har kört fast – nu söker fysikerna nya vägar

När den säkra teorin inte längre räcker

Det finns något nästan ödmjukt vackert i det som just nu händer inom partikelfysiken. Enligt MIT Technology Review befinner sig forskarsamhället i ett läge av ovanlig osäkerhet – och det efter decennier av hårt, metodiskt arbete med en av universums största gåtor: vad är mörk materia egentligen gjord av?

Den dominerande hypotesen har länge handlat om en partikeltyp med förkortningen WIMP – en tungt vägande partikel som ytterst sällan växelverkar med vanlig materia. Teorin är elegant. Den förklarar bland annat varför galaxer roterar som de gör, och den passar in i den bredare ramen för partikelfysikens standardmodell. Experimentellt har strategin varit lika konsekvent: bygg känsligare och känsligare detektorer, fyll dem med flytande xenon, sänk ned dem djupt under jord och vänta på att en WIMP ska krocka med en xenonatom och avge ett svagt ljussken.

Problemet är att det ljusskenet aldrig kommer.

Neutrinodimman – en oväntad vägg

Nu rapporterar MIT Technology Review om en ny och ganska ironisk komplikation. De känsligaste detektorerna är nämligen numera för känsliga – de börjar fånga upp neutriner, de näst intill masslösa partiklar som solen ständigt skickar ut i otroliga mängder. Fysiker kallar detta tillstånd för "neutrinodimman": bakgrundsbruset från neutriner hotar att helt dränka varje eventuell signal från mörk materia. Och eftersom neutriner passerar rakt igenom jordens kärna finns det inget praktiskt sätt att skärma av detektorerna mot dem.

Konsekvensen är tydlig. Nästa generations xenonbaserade experiment kommer troligen att bli det sista i sitt slag. En hel experimentell metodik har nått sin fysiska gräns.

Samtidigt har CERN:s stora partikelkolliderare – den anläggning som sträcker sig längs gränsen mellan Frankrike och Schweiz – inte heller lyckats påvisa några nya partiklar som rimligen skulle kunna vara mörk materia. Två av de mäktigaste instrumenten som mänskligheten byggt för att förstå universums grundläggande byggstenar pekar alltså i samma riktning: WIMP:en kanske helt enkelt inte existerar i den form vi föreställt oss.

Osäkerhet som drivkraft

Här är det lätt att fastna i besvikelsen. Men jag tycker att man bör läsa situationen på ett annat sätt.

Vetenskapens trovärdighet vilar inte på att den alltid har rätt – den vilar på att den faktiskt kan ha fel och korrigera sig. Det vi ser nu är ett sällsynt och viktigt skifte: ett helt forskarsamhälle som gemensamt tvingas ompröva grundantaganden som styrt miljardinvesteringar och karriärer i generationer. Det är inte ett misslyckande. Det är vetenskaplig integritet i praktiken.

Och osäkerheten är verkligen total. Enligt MIT Technology Review vet forskarna i dag inte ens grundläggande saker – om mörk materia består av en enda partikeltyp eller ett dussintal, om partiklarna är tyngre än planeten jorden eller lättare än en radiovåg. Det spektrumet av möjligheter är svindlande.

Det öppnar upp för hypoteser och experimentdesigner som tidigare fick stryka på foten i WIMP-paradigmets skugga. Axioner, sterila neutriner, primordial svarta hål, eller kanske något som vi ännu inte ens har ett namn på. Jakten börjar inte om från noll i bemärkelsen att allt arbete var förgäves – den börjar om med en helt annan karta i handen.

En ny karta kräver nya instrument

Det intressanta nu är vart experimenterandet tar vägen. Xenondetektorerna under berg har spelat ut sin roll, men det betyder att ingenjörer och fysiker måste tänka radikalt annorlunda om hur mätningar ens ska gå till. Det är den typen av omstart som historiskt sett brukar leda till oväntade genombrott – inte sällan inom helt andra fält än det man ursprungligen undersökte.

Fysikens historia är full av sådana stunder. Jakten på något som aldrig hittades ledde till något viktigare som ingen letat efter.