Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har föreslagit en ny metod för att hitta mörk materia, kosmos mysterium material som har undgått upptäckt i decennier. Mörk materia utgör cirka 27 % av universum; vanlig materia, som de saker som bygger stjärnor och planeter, står för bara 5% av kosmos. (En mystisk enhet som kallas mörk energi står för de andra 68%.)

Enligt kosmologer, allt synligt material i universum flyter bara i ett stort hav av mörk materia – partiklar som är osynliga men som ändå har massa och utövar en gravitationskraft. Mörk materias gravitation skulle tillhandahålla det saknade limmet som hindrar galaxer från att falla isär och förklara hur materia klumpas ihop för att bilda universums rika galaktiska gobeläng.

Det föreslagna experimentet, där en miljard millimeterstora pendlar skulle fungera som sensorer för mörk materia, skulle vara den första att jaga mörk materia enbart genom dess gravitationsinteraktion med synlig materia. Experimentet skulle vara ett av få för att leta efter mörk materia partiklar med en massa som är lika stor som en saltkorn, en skala som sällan utforskas och aldrig studeras av sensorer som kan registrera små gravitationskrafter.

Tidigare experiment har sökt mörk materia genom att leta efter icke-gravitationstecken på interaktioner mellan de osynliga partiklarna och vissa typer av vanlig materia. Det har varit fallet för sökningar efter en hypotetisk typ av mörk materia som kallas WIMP (svagt interagerande massiva partiklar), som var en ledande kandidat för det osynliga materialet i mer än två decennier. Fysiker letade efter bevis för att när WIMPs ibland kolliderar med kemiska ämnen i en detektor, de avger ljus eller sparkar ut elektrisk laddning.

Forskare som letar efter WIMPs på detta sätt har antingen kommit upp tomhänta eller fått ofullständiga resultat; partiklarna är för lätta (teoretiserat för att variera i massa mellan en elektron och en proton) för att upptäcka genom deras gravitationsdrag.

Med sökandet efter WIMPs till synes på sina sista ben, forskare vid NIST och deras kollegor överväger nu en mer direkt metod för att leta efter mörk materia partiklar som har en kraftigare massa och därför utövar en gravitationskraft som är tillräckligt stor för att kunna detekteras.

"Vårt förslag bygger enbart på gravitationskopplingen, den enda kopplingen vi säkert vet som finns mellan mörk materia och vanlig lysande materia, " sa studiens medförfattare Daniel Carney, en teoretisk fysiker gemensamt knuten till NIST, Joint Quantum Institute (JQI) och Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) vid University of Maryland i College Park, och Fermi National Accelerator Laboratory.

Forskarna, som också inkluderar Jacob Taylor från NIST, JQI och QuICS; Sohitri Ghosh från JQI och QuICS; och Gordan Krnjaic från Fermi National Accelerator Laboratory, beräkna att deras metod kan söka efter mörk materia partiklar med en minsta massa ungefär hälften av en saltkorn, eller ungefär en miljard miljarder gånger massan av en proton. Forskarna rapporterar sina fynd idag i Fysisk granskning D .

Eftersom det enda okända i experimentet är massan av den mörka materiepartikeln, inte hur det hänger ihop med vanlig materia, "Om någon bygger experimentet föreslår vi, de hittar antingen mörk materia eller utesluter alla kandidater för mörk materia över ett brett spektrum av möjliga massor, " sa Carney. Experimentet skulle vara känsligt för partiklar som sträcker sig från cirka 1/5, 000 av ett milligram till några milligram.

Den massskalan är särskilt intressant eftersom den täcker den så kallade Planckmassan, en mängd massa som enbart bestäms av tre grundläggande naturkonstanter och som motsvarar cirka 1/5, 000 av ett gram.

Carney, Taylor och deras kollegor föreslår två scheman för deras gravitationsexperiment med mörk materia. Båda involverar små, millimeterstora mekaniska enheter som fungerar som utsökt känsliga gravitationsdetektorer. Sensorerna skulle kylas till temperaturer strax över absolut noll för att minimera värmerelaterat elektriskt brus och skyddas från kosmisk strålning och andra källor till radioaktivitet. I ett scenario, en myriad av mycket känsliga pendlar skulle var och en avleda något som svar på ryckandet av en passerande mörk materia partikel.

Liknande anordningar (med mycket större dimensioner) har redan använts i den senaste Nobelprisbelönta upptäckten av gravitationsvågor, krusningar i väven av rum-tid som förutspåtts av Einsteins gravitationsteori. Försiktigt upphängda speglar, som fungerar som pendlar, rör sig mindre än en atoms längd som svar på en passerande gravitationsvåg.

I en annan strategi, forskarna föreslår att man använder sfärer som svävar av ett magnetfält eller pärlor som svävar av laserljus. I detta schema, levitationen stängs av när experimentet börjar, så att sfärerna eller pärlorna är i fritt fall. Tyngdkraften hos en passerande mörk materiepartikel skulle aldrig störa vägen för de fritt fallande föremålen.

"Vi använder objektens rörelse som vår signal, " sade Taylor. "Detta skiljer sig från i princip alla partikelfysikdetektorer där ute."

Forskarna beräknar att en uppsättning av ungefär en miljard små mekaniska sensorer fördelade över en kubikmeter krävs för att skilja en äkta mörk materia partikel från en vanlig partikel eller falska slumpmässiga elektriska signaler eller "brus" som utlöser ett falskt larm i sensorerna. Vanliga subatomära partiklar som neutroner (som interagerar genom en icke-gravitationskraft) skulle sluta döda i en enda detektor. I kontrast, forskare förväntar sig en partikel av mörk materia, susar förbi arrayen som en miniatyrasteroid, skulle gravitationsmässigt vicka varje detektor i dess väg, en efter den andra.

Brus skulle få enskilda detektorer att röra sig slumpmässigt och oberoende snarare än sekventiellt, som en partikel av mörk materia skulle göra. Som en bonus, den koordinerade rörelsen av miljarddetektorerna skulle avslöja riktningen som partikeln med mörk materia var på väg när den zoomade genom arrayen.

Att tillverka så många små sensorer, teamet föreslår att forskare kanske vill låna tekniker som smartphone- och bilindustrin redan använder för att producera ett stort antal mekaniska detektorer.

Tack vare de individuella detektorernas känslighet, forskare som använder tekniken behöver inte begränsa sig till den mörka sidan. En version i mindre skala av samma experiment skulle kunna upptäcka de svaga krafterna från avlägsna seismiska vågor såväl som från passage av vanliga subatomära partiklar, som neutrinos och singel, lågenergifotoner (ljuspartiklar).

Experimentet i mindre skala skulle till och med kunna jaga partiklar av mörk materia - om de ger en tillräckligt stor kick till detektorerna genom en ickegravitationskraft, som vissa modeller förutspår, sa Carney.

"Vi sätter det ambitiösa målet att bygga en gravitationsdetektor för mörk materia, men den FoU som behövs för att uppnå det skulle öppna dörren för många andra detektions- och metrologimätningar, sa Carney.

Forskare vid andra institutioner har redan börjat utföra preliminära experiment med hjälp av NIST-teamets ritning.