Et mysterium og en hypotetisk hypotetisk partikkel

Mørk materie får lys til å skifte retning, og kan derfor fungere som en linse. Dette er en av metodene vi kan bruke for å «se» stoff som ikke lyser.

Fysikere er helt sikre på en ting: Universet som vi kjenner det burde ikke eksistert. Det burde revet seg selv i stykker få sekunder etter Big Bang. Likevel tyder mye på at det (og vi) finnes likevel. I dette gjesteinnlegget får du høre både hvorfor vi ikke burde vært her, og hvorfor det kanskje gikk bra tross alt. Det har ikke bare med en hypotetisk partikkel å gjøre, men atpåtil med en hypotetisk hypotetisk partikkel…

Innlegget er skrevet av 1.amanuensis i teoretisk fysikk Are Raklev, ved Fysisk Institutt, Universitetet i Oslo

Hmmm… ikke der heller nei. Men sannelig mange hybelkaniner. Hva gjør jeg med hodet under sofaen spør du kanskje? Jo, det har seg slik at jeg er på leting etter mørk materie. Du har kanskje hørt det nevnt i populærvitenskaplige sammenhenger, men hva er det egentlig? Om du har tid, så la meg fortelle en liten historie om universet, og elementærpartikkelen i mitt hjerte: gravitinoet.

De siste 10-15 årene er vi blitt sikre på at det finnes et stoff der ute i universet som ikke påvirkes av lys. Det vil si at det ikke sender ut eller mottar elektromagnetisk stråling. Noe som gjør at vi ikke kan observere det på samme måte som vi studerer stjerner og gass gjennom teleskoper. (Viste du at det meste av det synlige universet er hydrogengass?) Ikke bare er det usynlig for oss, det er faktisk mye mere av det enn den vanlige materien, omlag fem ganger så mye. Jeg bruker å si at vi mistet 80% av universet en gang rundt år 2000.

Hvordan kan vi nå vite alt dette dersom vi ikke kan se mørke materie? Forklaringen er at, som alt annet vi kjenner til, så påvirkes det av gravitasjon. Vi kan se hvordan galakser roterer og hvordan samlinger av galakser beveger seg som om de veide mye mer enn det vi kan gjøre rede for. Det er noe annet der ute enn bare stjerner og gass. I tillegg har vi målt veldig presist hvor mye energi og masse som fantes i det tidlige universet. Dette kan vi gjøre fordi vi har et bilde av det. Vi har studert den kosmiske mikrobølgebakgrunnsstrålingen (si det fort ti ganger) som ble sendt ut omlag 400.000 år etter det store smellet. Fordelingen av strålingen avslører hvordan energi og masse påvirker det tidlige universet. Igjen viser det seg at det må finnes mye mere materie der ute enn det vi kan gjøre rede for.

Nå er det kanskje best jeg nevner at det er endel ved gravitasjon vi ikke forstår. De andre tre kreftene vi kjenner, elektromagnetismen, den svake og den sterke kjernekraften, har vi god kontroll på gjennom såkalte kvantemekaniske feltteorier. For gravitasjon har vi Einsteins generelle relativitetsteori. Den fungerer bra til vanlig dagligdags bruk, det vil si på stjerner og galakser, men vi vet at den bryter sammen på kvantenivå, nettopp der feltteoriene fungerer så godt.

Det fine med feltteoriene er at de beskriver påvirkning av krefter gjennom utveksling av kraftbærende partikler; for elektromagnetisme er dette det velkjente fotonet, lyspartikkelen. For svak og sterk kjernekraft er dette de såkalte vektorbosonene, W, Z og gluonet. Fordi vi ikke kjenner til en feltteori for gravitasjon så vet vi ikke om det finnes en slik partikkel for gravitasjon, men vi har en hypotese som sier at det gjør det, og denne hypotetiske partikkelen kaller vi for graviton.

Tilbake til mørk materie. En av de mest populære teoriene i fysikk-kretser er supersymmetri, en beskrivelse av verden som sier at det til alle typer materiepartikler må finnes en type kraftbærende supersymmetrisk partikkel partner (en spartikkel om du vil), og vise versa. Noe av det som gjør supersymmetri så ettertraktet er det gir oss et godt forslag til hva mørk materie kan være. I de mest populære teoriene innfører man en mekanisme som gjør den letteste spartikkelen helt stabil, og dersom den ikke har elektrisk ladning fungerer den utmerket som mørk materie fordi den ikke sender ut eller mottar fotoner.

Så langt er alt bra. Imidlertid har vi aldri har sett noe til disse spartikkel partnerne som teorien forutsier. Vi har lett lenge, blant annet ved Large Hadron Collider (LHC), som jo er kjent for å finne vriene partikler slik som higgs bosonet. Og så har vi teoretikere et annet problem: dersom vi vil forene gravitasjon med de andre kreftene og med supersymmetri så må det finnes en partner til gravitonet, en partikkel med navnet gravitino. Dette er altså en hypotetisk partner til en hypotetisk partikkel. Stort mere hypotetisk får du det ikke, selv i teoretisk fysikk.

El Gravitino, wrestler i iOS-spillet Jr Astronaut. Slik ser altså populærkulturen for seg gravitinoer, spartiklenes sore får…

Gravitinoet er spartiklenes sorte får, og leder fort til trøbbel. Det skapes svært mange av de i det veldig varme universet som eksisterer brøkdelen av et sekund etter det store smellet. Dersom gravitinoet ikke er mørk materie så omvandles (partikkelfysikere sier henfaller) det noen minutter senere til andre partikler. Dette fører til at byggeblokkene våre, de lette atomkjernene som formes i det tidlige universet i det som kalles nukleosyntesen, rives fra hverandre av all energien som frigjøres. Kort sagt, universet som vi observerer i dag kunne ikke eksistert. Hvis vi istedet lar gravitinoet være mørk materie så skjer det noe like katastrofalt: den nest letteste spartikkelen henfaller under nukleosyntesen og lager samme krøll. Teoretikere har lenge klødd seg i hodet over problemet som dukker opp så snart man vil forene gravitasjon og supersymmetri, og de har forsøkt forskjellige metoder for å kvitte seg med alle de plagsomme gravitinoene.

For noen år siden innså vi at det finnes en snedig vei rundt problemet. Dersom man ikke innfører mekanismen som gjør den letteste spartikkelen stabil så vil også de andre spartiklene henfalle mye raskere, og problemet med nukleosyntese unngås. Det vil også forklare hvorfor vi ikke har sett noe til de nye partiklene ved LHC fordi man i søkene der ofte antar at den letteste spartikkelen er stabil.

Produksjon av et gravitino i det tidlige universet, som artikkelforfatteren gjerne tenker seg det. (Gravitinoet er G’en med en krøll over til høyre i bildet. Resten er matematikk illustrert slik Richard Feynman en gang fant på å gjøre det.)

Den gjengse oppfatning var imidlertid at da ville man heller ikke få noe mørk materie. Men når vi regnet på levetiden til gravitinoet så fikk vi et interessant svar: det lever uansett i gjennomsnitt mye lengre enn universets alder på omlag 13.7 milliarder år. Det er altså ikke stabilt, men fungerer aldeles utmerket som mørk materie likevel. Vårt hypotetisk hypotetiske problembarn hadde plutselig fått en helt annen tiltrekningskraft, sånn billedlig talt.

Siden har vi brukt mye tid på å regne på hvordan man kan finne disse ustabile gravitinoene. Selv om de i snitt lever lenge så er det mange av dem, regn med at millioner passerer gjennom kroppen ditt hvert sekund, så det vil alltid være noen som henfaller tidlig. Og når de gjør det vil vi kunne registrere partiklene som skapes ved hjelp av romsonder. Spesielt leter vi etter anti-partikler, som det ikke finnes så mange av i universet fra før, og etter fotoner med mye energi, det som kalles gammastråler.

Et bilde av gammastrålingen fra universet tatt av Fermi-LAT over en periode på tre år. Det lyse båndet er vår egen galakse, og galaksens sentrum er omlag midt i bilde.

I mars i år dukket det opp et veldig interessant resultat. Ved å se på data for gammastråler som er registrert av Fermi-LAT satellitten så hevder en gruppe tyske forskere at det finnes et overskudd av gammastråler fra sentrum av vår egen galakse, hvor vi vet det burde finnes mye mørk materie. Dette passer godt med de forutsigelser vi har gjort for hvordan gravitinoet henfaller, men signalet er svakt enda og det er mye støy i sentrum av galaksen på grunn av den voldsomme aktiviteten der rundt det sentrale sorte hullet. Det gjenstår også mye sjekking av resultatet for å utelukke instrumentfeil og feil i analysen.

Håpet er likevel at gravitinoet snart skal vise seg å være litt mindre hypotetisk enn først antatt. I så fall burde jeg altså lete i sentrum av galaksen i stedet for under sofaen. Så feil kan man ta.

4 comments

  1. Carbomontanus · november 16, 2012

    Kort innpå sånn på mårrakvisten:

    Jeg tror han har litt forutinntatte meningen denne Are Raklev. Derom strides nemlig de lærde. Jeremy Wasiutynski strevet et langt liv etter å ha skrevet om Geniet og det ubevisste, og ble tilslutt hele 98 år, hvor han konkluderte med at hele universet og tilværelsen er en stor feiltagelse.

    Så riktig eller så galt kan det altså gå, men det er dette med retta og vranga som var og er og forblir til Dommedag et teologisk problem og ingen velformet formel i fysikken, først påvist av slangen i Paradis, og senere har vi måttet slite med det.

    Men jeg skal lese litt bedre igjennom her når jeg bare våkner litt først.

  2. Yngve B. Nilsen (@YngveNilsen) · november 16, 2012

    Carbomontanus: Det er ingen tvil om at de lærde strides om veldig mye innenfor fysikk og vitenskap generelt, men det er da også litt av poenget. Bra med diskusjoner rundt temaet, men vær så snill å ikke bland inn dommedag, slanger og paradis i diskusjoner. Det ender aldri godt uansett.

  3. Tilbaketråkk: Hypotetisk partikkelkalender: 13. desember – Gravitinoet | Kollokvium
  4. Leif Lund (@Latmann) · desember 13, 2012

    Kan noen forklare meg hvordan gravitasjonen unnslipper seg selv?

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s