Ett spöke förföljer vårt universum. Detta har varit känt inom astronomi och kosmologi i decennier. Observationer tyder på att cirka 85 % av all materia i universum är mystisk och osynlig. Dessa två egenskaper återspeglas i dess namn:mörk materia.
Flera experiment har syftat till att avslöja vad den är gjord av, men trots årtionden av sökande har forskare kommit till korta. Nu erbjuder vårt nya experiment, under uppbyggnad vid Yale University i USA, en ny taktik.
Mörk materia har funnits runt universum sedan tidernas begynnelse, och drar samman stjärnor och galaxer. Osynlig och subtil verkar den inte interagera med ljus eller någon annan typ av materia. I själva verket måste det vara något helt nytt.
Standardmodellen för partikelfysik är ofullständig, och detta är ett problem. Vi måste leta efter nya fundamentala partiklar. Överraskande nog ger samma brister i standardmodellen värdefulla tips om var de kan gömma sig.
Låt oss ta neutronen, till exempel. Den utgör atomkärnan tillsammans med protonen. Trots att den är neutral överlag, säger teorin att den består av tre laddade beståndsdelar som kallas kvarkar. På grund av detta skulle vi förvänta oss att vissa delar av neutronen skulle laddas positivt och andra negativt – detta skulle betyda att den hade vad fysiker kallar ett elektriskt dipolmoment.
Ändå har många försök att mäta det kommit med samma resultat:det är för litet för att upptäckas. Ännu ett spöke. Och vi pratar inte om instrumentella brister, utan en parameter som måste vara mindre än en del på 10 miljarder. Den är så liten att folk undrar om den kan vara noll helt och hållet.
Inom fysiken är den matematiska nollan alltid ett starkt påstående. I slutet av 70-talet försökte partikelfysikerna Roberto Peccei och Helen Quinn (och senare Frank Wilczek och Steven Weinberg) att tillgodose teori och bevis.
De föreslog att parametern kanske inte är noll. Det är snarare en dynamisk storhet som långsamt tappade sin laddning och utvecklades till noll efter Big Bang. Teoretiska beräkningar visar att om en sådan händelse inträffade måste den ha lämnat efter sig en mängd lätta, smygande partiklar.
Dessa kallades "axions" efter ett tvättmedelsmärke eftersom de kunde "klara upp" neutronproblemet. Och ännu mer. Om axioner skapades i det tidiga universum, har de hängt med sedan dess. Viktigast av allt är att deras egenskaper kontrollerar alla rutor som förväntas för mörk materia. Av dessa skäl har axioner blivit en av favoritkandidatpartiklarna för mörk materia.
Axioner skulle endast interagera svagt med andra partiklar. Detta betyder dock att de fortfarande skulle interagera lite. De osynliga axionerna kan till och med förvandlas till vanliga partiklar, inklusive – ironiskt nog – fotoner, själva essensen av ljus. Detta kan hända under särskilda omständigheter, som i närvaro av ett magnetfält. Detta är en gåva från gud för experimentella fysiker.
Många experiment försöker framkalla axion-spöket i den kontrollerade miljön i ett labb. Vissa syftar till att omvandla ljus till axioner, till exempel, och sedan axioner tillbaka till ljus på andra sidan av en vägg.
För närvarande är det mest känsliga tillvägagångssättet inriktat på halo av mörk materia som genomsyrar galaxen (och följaktligen jorden) med en enhet som kallas ett haloskop. Det är en ledande kavitet nedsänkt i ett starkt magnetfält; den förra fångar den mörka materien som omger oss (förutsatt att det är axioner), medan den senare inducerar omvandlingen till ljus. Resultatet är en elektromagnetisk signal som uppträder inuti kaviteten, som oscillerar med en karakteristisk frekvens beroende på axionsmassan.
Systemet fungerar som en mottagningsradio. Den måste justeras ordentligt för att fånga upp frekvensen vi är intresserade av. Praktiskt taget ändras kavitetens dimensioner för att tillgodose olika karakteristiska frekvenser. Om frekvenserna för axionen och kaviteten inte stämmer överens är det precis som att ställa in en radio på fel kanal.
Tyvärr går det inte att förutsäga vilken kanal vi letar efter i förväg. Vi har inget annat val än att skanna alla potentiella frekvenser. Det är som att välja en radiostation i ett hav av vitt brus – en nål i en höstack – med en gammal radio som måste vara större eller mindre varje gång vi vrider på frekvensratten.
Ändå är det inte de enda utmaningarna. Kosmologi pekar på tiotals gigahertz som den senaste, lovande gränsen för axionsökning. Eftersom högre frekvenser kräver mindre hålrum, skulle det krävas hålrum som är för små för att fånga en meningsfull mängd signal.
Nya experiment försöker hitta alternativa vägar. Vårt experiment med Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) använder ett nytt koncept av kavitet baserat på metamaterial.
Metamaterial är kompositmaterial med globala egenskaper som skiljer sig från deras beståndsdelar - de är mer än summan av deras delar. En kavitet fylld med ledande stavar får en karakteristisk frekvens som om den vore en miljon gånger mindre, samtidigt som den knappt ändrar sin volym. Det är precis vad vi behöver. Dessutom ger stängerna ett inbyggt, lättjusterbart trimsystem.
Vi håller för närvarande på att bygga upp installationen, som kommer att vara redo att ta data om några år. Tekniken är lovande. Dess utveckling är resultatet av samarbetet mellan fasta tillståndsfysiker, elektroingenjörer, partikelfysiker och till och med matematiker.
Trots att de är så svårfångade, underblåser axions framsteg som inget spöke någonsin kommer att ta bort.
Tillhandahålls av The Conversation
Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln. 
