I jakten på den mystiska mörka materien, fysiker har använt genomarbetade datorberäkningar för att komma med en kontur av partiklarna i denna okända materiaform. Att göra detta, forskarna utökade den framgångsrika standardmodellen för partikelfysik som tillät dem, bland annat, att förutsäga massan av så kallade axioner, lovande kandidater för mörk materia. Det tysk-ungerska forskargruppen som leds av professor Zoltán Fodor vid universitetet i Wuppertal, Eötvös universitet i Budapest och Forschungszentrum Jülich utförde sina beräkningar på Jülichs superdator JUQUEEN (BlueGene/Q) och presenterar sina resultat i tidskriften Natur .

"Mörk materia är en osynlig form av materia som hittills bara har uppenbarat sig genom sina gravitationseffekter. Vad den består av förblir ett fullständigt mysterium, "förklarar medförfattaren Dr Andreas Ringwald, som är baserad på DESY och som föreslog den aktuella forskningen. Bevis för förekomsten av denna form av materia kommer, bland annat, från den astrofysiska observation av galaxer, som roterar alldeles för snabbt för att bara hållas samman av gravitationskraften av den synliga materien. Högprecisionsmätningar med den europeiska satelliten "Planck" visar att nästan 85 procent av hela universums massa består av mörk materia. Alla stjärnor, planeter, nebulosor och andra objekt i rymden som är gjorda av konventionell materia står för högst 15 procent av universums massa.

"Adjektivet" mörkt "betyder inte bara att det inte avger synligt ljus, "säger Ringwald." Det verkar inte heller avge några andra våglängder - dess interaktion med fotoner måste verkligen vara mycket svag. "I årtionden har fysiker har letat efter partiklar av denna nya typ av materia. Det som är klart är att dessa partiklar måste ligga utanför standardmodellen för partikelfysik, och även om den modellen är extremt framgångsrik, den beskriver för närvarande bara de konventionella 15 procenten av all materia i kosmos. Från teoretiskt möjliga tillägg till standardmodellen förväntar sig fysiker inte bara en djupare förståelse av universum, men också konkreta ledtrådar i vilket energiområde det är särskilt värt att leta efter kandidater i mörk materia.

Den okända materiaformen kan antingen bestå av relativt få, men mycket tunga partiklar, eller ett stort antal ljusa. De direkta sökningarna efter tunga kandidater i mörk materia som använder stora detektorer i underjordiska laboratorier och den indirekta sökningen efter dem med stora partikelacceleratorer pågår fortfarande, men har inte hittat några partiklar av mörk materia hittills. En rad fysiska överväganden gör extremt lätta partiklar, dubbade axioner, mycket lovande kandidater. Med hjälp av smarta experimentella inställningar, det kan till och med vara möjligt att upptäcka direkta bevis på dem. "Dock, att hitta den här typen av bevis skulle det vara oerhört hjälpsamt att veta vilken typ av massa vi letar efter, "understryker teoretisk fysiker Ringwald." Annars kan sökningen ta årtionden, eftersom man skulle behöva skanna ett alldeles för stort område. "

Förekomsten av axioner förutses av en förlängning av kvantkromodynamik (QCD), kvantteorin som styr den starka interaktionen, ansvarig för kärnkraften. Den starka interaktionen är en av de fyra grundläggande naturkrafterna tillsammans med gravitationen, elektromagnetism och den svaga kärnkraften, som är ansvarig för radioaktivitet. "Teoretiska överväganden indikerar att det finns så kallade topologiska kvantfluktuationer i kvantkromodynamik, som borde resultera i en observerbar kränkning av tidsomvändningssymmetri, "förklarar Ringwald. Detta innebär att vissa processer bör skilja sig åt beroende på om de kör framåt eller bakåt. Men inget experiment har hittills lyckats påvisa denna effekt.

Förlängningen till kvantkromodynamik (QCD) återställer variationen i tidsomvändningar, men samtidigt förutsäger den att det finns en mycket svagt interagerande partikel, axionen, vars egenskaper, särskilt dess massa, beror på styrkan hos de topologiska kvantfluktuationerna. Dock, det tar moderna superdatorer som Jülichs JUQUEEN att beräkna den senare i det temperaturintervall som är relevant för att förutsäga axions relativa bidrag till den materia som utgör universum. "Dessutom, vi var tvungna att utveckla nya analysmetoder för att uppnå det erforderliga temperaturområdet, "konstaterar Fodor som ledde forskningen.

Resultaten visar, bland annat, att om axioner utgör huvuddelen av mörk materia, de bör ha en massa på 50 till 1500 mikroelektronvolt, uttryckt i de vanliga enheterna för partikelfysik, och därmed vara upp till tio miljarder gånger lättare än elektroner. Detta skulle kräva att varje kubikcentimeter i universum i genomsnitt innehåller tio miljoner sådana ultralätta partiklar. Mörk materia sprids inte jämnt i universum, dock, men bildar klumpar och grenar av ett webbliknande nätverk. På grund av detta, vår lokala region av Vintergatan bör innehålla ungefär en biljon axioner per kubikcentimeter.

Tack vare Jülich superdator, Beräkningarna ger nu fysiker ett konkret område där deras sökning efter axioner sannolikt kommer att vara mest lovande. "Resultaten vi presenterar kommer förmodligen att leda till en ras för att upptäcka dessa partiklar, "säger Fodor. Deras upptäckt skulle inte bara lösa problemet med mörk materia i universum, men svara samtidigt på frågan varför den starka interaktionen är så överraskande symmetrisk med avseende på tidsomvändning. Forskarna räknar med att det kommer att vara möjligt inom de närmaste åren att antingen bekräfta eller utesluta att axioner existerar experimentellt.

Institutet för kärnforskning vid den ungerska vetenskapsakademien i Debrecen, Lendület Lattice Gauge Theory Research Group vid Eötvös universitet, universitetet i Zaragoza i Spanien, och Max Planck Institute for Physics i München var också involverade i forskningen.