Upptäckartiden är inte över.

En gång, skörbjuggsfyllda européer seglade ut i det okända för att göra anspråk på främmande, fantastiska delar av världen. Nu, fysiker sitter i labbet och frågar, "Är det här allt som finns?"

Nej, de lider inte av en kollektiv existentiell kris.

De letar efter mörk materia - det som teoretiskt sett utgör en fjärdedel av vårt universum.

Och forskare från West Aussie ligger i spetsen för denna sökning, som en del av ett australiensiskt omfattande projekt för att upptäcka en partikel som kallas axionen.

Vad är den (mörka) saken?

Om mörk materia finns, du sitter förmodligen i en soppa av det just nu.

Forskare förutspår att det utgör 26,8% av universum, vilket är ganska betydelsefullt när man betänker att allt annat vi kan observera - från väteatomer till svarta hål - bara utgör 5%. (De övriga 69 % är något forskare kallar mörk energi. Oroa dig inte för det.)

Det finns bara ett problem. Det interagerar inte med elektromagnetism - kraften mellan positivt och negativt laddade partiklar. Det är ansvarigt för praktiskt taget allt vi kan observera i det dagliga livet - med undantag för gravitationen.

Elektromagnetiska krafter som finns mellan atomer och molekyler i marken är anledningen till att jordens gravitation inte fortsätter att dra oss hela vägen ner till dess (smälta heta) kärna. Ljuset som sänds ut från din dator, låter dig läsa den här historien, genereras av interaktioner av elektriskt laddade partiklar i din monitor, annars känd som el.

Vanlig materia ser ut som vanlig materia på grund av de elektromagnetiska krafterna mellan atomer och molekyler. Men mörk materia interagerar inte med elektromagnetism. Det betyder att vi inte kan se, lukt, smaka eller röra på den. Så om mörk materia i princip inte går att upptäcka, varför tror vi att det finns? Och vad i hela friden letar vi efter?

I mörkret

Låt oss börja med ett grundläggande antagande - gravitation existerar. Tillsammans med elektromagnetism, gravitationen är en av de fyra grundläggande krafter som fysiker använder för att förklara nästan allt. Gravity säger att tunga saker attraherar alla andra tunga saker, så jordens gravitationskraft är anledningen till att vi inte alla svävar planlöst i rymden.

Om vi ​​tittar in i allt det där utrymmet, vi kan se att vår galax Vintergatan är spiralformad. Smack bang i det galaktiska centrumet är en stor, stångformad utbuktning från vilken spiralformade armar slingrar sig runt i en platt cirkel. Jorden sitter någonstans i mitten av en av dessa armar och avslutar ett varv av galaxen vart 225 till 250 miljoner år.

Om vi ​​tänker på hela universum som en gigantisk nöjespark, vi kan föreställa oss att vår Vintergatan är en karusell. Till skillnad från vanliga karuseller som har plastponnyer fixerade med stolpar, stjärnorna, månar och planeter som utgör vår galax är frånkopplade och fria att snurra runt i olika hastigheter.

Så om allt går sönder och snurrar, vad är det som får oss att kretsa prydligt i vår lilla spiral? Tja, om vi fortsätter med nöjesparkanalogin, vi kan likna detta fenomen vid en gungstolstur. När du svänger i en stol runt ett torn, en metallkedja ger en konstant kraft in i mitten av åket som håller dig att snurra runt och runt den centrala stolpen.

Samma sorts sak händer i rymden, utom istället för en kedja, vi har gravitation. Tyngdkraften tillhandahålls av massan av saker – specifikt, massan av vårt galaktiska centrum, som forskare tror är ett supermassivt svart hål. Den har så mycket massa på så lite utrymme att den utövar en gravitationskraft så hög att den suger in ljus.

När du rör dig bort från centrum och in i den platta galaktiska gloria, vi ser mycket mindre saker. Mindre saker betyder mindre massa, vilket betyder mindre gravitation. Vi kan därför förvänta oss att grejerna i spiralarmarna snurrar långsammare än grejerna närmare mitten.

Vad astrofysiker faktiskt ser är att saker i den yttre kanten av galaxen snurrar i samma takt som saker nära galaxens mitt – och det är ganska jäkla snabbt. Om detta var fallet i vår nöjespark, vi skulle ha hamnat i ett mardrömsscenario.

Den snurrande stolsfärden skulle virvla runt så snabbt att kedjan inte längre skulle ge tillräckligt med kraft för att hålla dig i rörelse i en cirkel. Kedjan skulle gå sönder, och du skulle kastas till en död värdig en skräckfilm i B-klass.

Det faktum att jorden inte har skjutits långt och brett antyder att vi är omgivna av mycket mer massa, som ger en hel massa gravitation och håller vår galax i form. Och de flesta fysiker tror att massa bara kan vara mörk materia.

Mörka kandidater

Bara för en sekund, glöm allt du just läst. Vi ska sluta stirra på stjärnor och istället undersöka mycket mindre saker — partiklar. Partikelfysik är hem för detta problem som kallas för stark laddningsparitet (CP). Det är ett mycket stort oförklarligt problem i den annars framgångsrika teorin om kvantkromodynamik. Oroa dig inte för det.

Med hjälp av matematiska ekvationer, partikelfysiker på 70-talet föreslog att vi skulle kunna lösa detta starka CP-problem med introduktionen av en teoretisk partikel som kallas axionen. Och om vi gör mer matte och skriver en beskrivning av hur axionpartikeln ska se ut, vi skulle finna att den har två mycket spännande egenskaper - a) den har massa och b) den interagerar inte alls med elektromagnetism.

Which sounds suspiciously like the qualities of dark matter. The axion is what physicists call a 'promising candidate' for dark matter. It's like killing two birds with one theoretical, invisible stone.

And if axions are dark matter, we should be surrounded by them right now. If we could only build the right equipment, we could perhaps detect the mysterious mass that's holding our galaxy together. As it happens, some clever scientists at UWA are doing just that.

Dark matter turns light

Physicists at a UWA node of the ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQuS) are employing a piece of equipment called a haloscope—so called because it searches for axions in the galactic halo (which you're sitting in right now).

A haloscope is basically an empty copper can (a 'resonant cavity') placed in a very cold, very strong magnetic field. If axions are dark matter and exist all around us, one might enter the resonant cavity, react with the magnetic field and transform into a particle of light—a photon.

Whilst we wouldn't be able to see these photons, scientists are pretty good at measuring them. They're able to measure how much energy it has (its frequency) as it sits inside the resonant cavity. And that frequency corresponds to the mass of the axion that it came from.

The problem is, resonant cavities (those empty copper cans) are created to detect photons with specific frequencies. We don't know how heavy axions are, so we don't know what frequency photon they will produce, which means building the right resonator involves a bit of guesswork.

The search for the axion is more of a process of elimination. What have they been able to exclude so far? Väl, mostly due to technical limitations, scientists have previously been looking for axions with a low mass. New theoretical models predict that the axion is a bit heavier. How heavy? We don't know. But Aussie researchers have just been awarded 7 years of funding to try and find out.

Scoping the halo

The Oscillating Resonant Group AxioN (ORGAN) experiment is a nationwide collaboration between members of EQuS and is hosted at UWA.

Part of the physicists' work over the next 7 years will be to design resonant cavities that are capable of detecting heavier axions.

They ran an initial experiment over Christmas 2016, the ORGAN Pathfinder, to confirm that their haloscopes were up to the task ahead and that the physicists were capable of analysing their results.

This experiment yielded no results—but that doesn't mean that axions don't exist. It only means that they don't exist with the specific mass that they searched for in December 2016 and to a certain level of sensitivity.

The intrepid explorers at UWA will set sail into the next stages of the ORGAN experiment in 2018. And perhaps soon, we'll know exactly what the matter is.

Den här artikeln dök upp först på Particle, en vetenskapsnyhetswebbplats baserad på Scitech, Perth, Australien. Läs originalartikeln.