Minst en fjärdedel av universum är osynligt.

Till skillnad från röntgenstrålar som det blotta ögat inte kan se men utrustning kan mäta, forskare har ännu inte upptäckt mörk materia efter tre decennier av sökande, även med världens känsligaste instrument. Men mörk materia är så grundläggande för fysiken att forskare med stöd av Department of Energy's Office of Science söker efter den i några av världens mest isolerade platser, från djupa underjordiska till yttre rymden.

"Utan mörk materia, det är möjligt att vi inte skulle existera, sa Michael Salamon, en DOE Office of Science högenergifysik (HEP) programledare.

Office of Science stöder ett omfattande program i jakten på mörk materia och andra fenomen som hjälper forskare att bättre förstå hur universum fungerar på sin mest grundläggande nivå.

Spår av mörk materias inflytande

Det vi vet om mörk materia kommer från hur den har påverkat universum nästan så långt tillbaka som Big Bang. Som tassavtryck lämnade av ett svårfångat djur, kosmos är fullt av tecken på mörk materias existens, men vi har faktiskt inte sett varelsen själv.

Astronomen Fritz Zwicky upptäckte mörk materia 1933 när han undersökte Coma Cluster av galaxer. Han märkte att de avgav mycket mindre ljus än de borde ha varit, med tanke på deras massa. Efter att ha kört några beräkningar, han insåg att majoriteten av klustrets massa inte alls avgav ljus eller elektromagnetisk strålning.

Men det var inte bara det där klustret. I dag, vi vet att synlig materia bara står för fem procent av universums totala massenergi. (Som Einsteins berömda ekvation, E=mc2, berättar för oss, begreppen materia och energi är inneboende förbundna.) Mörk materia utgör ungefär en fjärdedel av den totala massenergin, medan mörk energi utgör resten.

Sedan Zwickys första upptäckt, forskare har hittat ett antal andra tecken. Undersöker rotationen av galaxer på 1970-talet, astronomen Vera Rubin insåg att de inte rör sig som de "borde" om bara synlig materia existerar. Hennes upptäckt av galaxrotationsproblemet ger några av de starkaste bevisen för mörk materias existens. Liknande, kosmisk bakgrundsstrålning, som har en uppteckning av det tidiga universum präglad på sig, återspeglar mörk materias närvaro.

Forskare tror att mörk materia sannolikt består av en helt ny elementarpartikel som skulle falla utanför standardmodellen som alla för närvarande kända partiklar passar in i. Det skulle endast interagera svagt med andra kända partiklar, gör det mycket svårt att upptäcka. Det finns två ledande partiklar som teoretiker har postulerat för att beskriva egenskaperna hos mörk materia:WIMPs och axioner.

Svagt interagerande massiva partiklar (WIMP) skulle vara elektriskt neutrala och 100 till 1, 000 gånger mer massiv än en proton. Axioner skulle inte ha någon elektrisk laddning och vara extraordinärt lätta - möjligen så låga som en biljondel av en elektrons massa.

På jakt efter mörk materia

Inte nog med att mörk materia inte avger ljus eller elektromagnetisk strålning, det interagerar inte ens med dem. Faktiskt, det enda sättet på vilket forskarna är säkra på att mörk materia interagerar med vanlig materia är genom gravitationen. Det är därför miljontals mörk materia partiklar passerar genom normal materia utan att någon märker det. För att fånga även den minsta glimt, forskare använder några av de mest sofistikerade utrustningarna i världen.

Det stora underjordiska xenonexperimentet och direktdetektion

Experimentet Large Underground Xenon (LUX) som pågick i nästan två år och avslutades i maj 2016, var ett av de viktigaste försöken att direkt detektera mörk materia.

För att direkt upptäcka en mörk materiepartikel måste den stöta in i en kärna (kärnan i en atom) av vanlig materia. Om detta inträffar, kärnan skulle avge bara lite detekterbar energi. Dock, sannolikheten för att dessa partiklar ska kollidera är svindlande låg.

Dessutom, Jordens yta har en extraordinär mängd radioaktivt "brus". Att försöka upptäcka interaktioner med mörk materia ovan jord är som att försöka höra någon viska i rummet på en bullrig förskola.

För att öka chanserna att upptäcka en mörk materia partikel och endast en mörk materia partikel, LUX var massiv och belägen mer än en mil under jorden. Med en tredjedel av ett ton kyld flytande xenon omgiven av 72, 000 liter vatten och kraftfulla sensorer, LUX hade världens bästa känslighet för WIMPs. Den kunde ha upptäckt en partikel som sträcker sig i massa från några gånger upp till 1800 gånger massan av en proton. Trots allt detta, LUX fångade aldrig tillräckligt många händelser för att ge starka bevis på mörk materias närvaro.

LUX var vad HEP kallar ett "Generation 1" direktdetekteringsexperiment. Andra "Generation 1" direktdetekteringsexperiment som för närvarande körs och stöds av Office of Science tar en något annorlunda riktning. PICO 60, Darkside-50, och SuperCDMS-Soudanexperiment, till exempel, sök efter WIMPs, medan ADMX-2-detektorn letade efter den andra potentiella kandidaten för mörk materia, axionen.

Det finns också "Generation 2" direktdetekteringsexperiment för närvarande under design, tillverkning, eller driftsättning, inklusive LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, och ADMX-Gen2.

Alfamagnetspektrometern och indirekt detektering

Dessutom, det finns experiment med fokus på indirekt detektion.

Vissa teoretiker menar att kolliderande mörk materia partiklar kan förinta varandra och producera två eller flera "normala" partiklar. I teorin, kolliderande WIMPs kan producera positroner. (En positron är den positivt laddade antimateriamotsvarigheten till elektronen.) Alfamagnetspektrometern på den internationella rymdstationen fångar kosmiska strålar, bitar av atomer accelererade till höga energier av exploderande stjärnor. Om AMS upptäcker ett högt antal positroner i ett högenergispektrum där de normalt inte skulle vara, det kan vara ett tecken på mörk materia.

"AMS är ett vackert instrument, ", sa Salamon. "Alla erkänner att detta är världens mest precisionsexperiment med kosmisk strålning i rymden."

Än så länge, AMS har registrerat 25 miljarder händelser. Det har hittats ett överskott av positroner inom lämpligt intervall, men det finns inte tillräckligt med bevis för att definitivt ange var positronerna kommer från. Det finns andra möjliga källor, som pulsarer.

Förutom AMS, DOE stöder också Fermi Gamma-Ray Space Telescope, som analyserar gammastrålar när den cirklar runt jordklotet och kan erbjuda en annan väg till upptäckt av mörk materia.

Mörk materia Produktion vid Large Hadron Collider

I teorin, en partikelaccelerator skulle kunna skapa mörk materia genom att kollidera med standardpartiklar vid höga energier. Medan gaspedalen inte skulle kunna upptäcka den mörka materien själv, det kan leta efter "saknad" energi som produceras av en sådan interaktion. Forskare vid Large Hadron Collider, världens största och kraftfullaste partikelaccelerator, tar detta tillvägagångssätt.

Lärdomar och forskningens framtid

Än så länge, inte ett enda experiment har gett ett definitivt spår av mörk materia.

Men dessa experiment har inte misslyckats – faktiskt, många har varit ganska framgångsrika. Istället, de har begränsat vårt sökfält. Att leta efter mörk materia är som att leta efter ett förlorat föremål i ditt hus. När du jagar genom varje rum, du eliminerar systematiskt platser objektet kan vara.

Istället för rum, forskare letar efter mörk materia över en rad interaktionsstyrkor och -massor. "När experiment blir känsligare, vi börjar eliminera teoretiska modeller, sa Salamon.

Jakten på mörk materia är långt ifrån över. Med varje bit data, vi kommer närmare att förstå denna allestädes närvarande men svårfångade aspekt av universum.