Den intensiva, världsomspännande sökande efter mörk materia, den saknade massan i universum, har hittills inte lyckats hitta ett överflöd av mörker, massiva stjärnor eller scads av konstiga nya svagt interagerande partiklar, men en ny kandidat får sakta anhängare och observationsstöd.

Kallade SIMPs - starkt interagerande massiva partiklar - de föreslogs för tre år sedan av University of California, Berkeleys teoretiska fysiker Hitoshi Murayama, en professor i fysik och chef för Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) i Japan, och tidigare UC Berkeley postdoc Yonit Hochberg, nu vid Hebrew University i Israel.

Murayama säger att färska observationer av en närliggande galaktisk hög kan vara bevis för existensen av SIMP, och han förutser att framtida partikelfysikexperiment kommer att upptäcka ett av dem.

Murayama diskuterade sina senaste teoretiska idéer om SIMP och hur de kolliderande galaxerna stödjer teorin i ett inbjudet föredrag den 4 december vid det 29:e Texas Symposium on Relativistic Astrophysics i Kapstaden, Sydafrika.

Astronomer har beräknat att mörk materia, medan den är osynlig, utgör cirka 85 procent av universums massa. Det starkaste beviset för dess existens är stjärnornas rörelse inuti galaxer:Utan en osynlig bläck av mörk materia, galaxer skulle flyga isär. I vissa galaxer, de synliga stjärnorna är så sällsynta att mörk materia utgör 99,9 procent av galaxens massa.

Teoretiker trodde först att denna osynliga materia bara var normal materia för svag för att se:misslyckade stjärnor som kallas bruna dvärgar, utbrända stjärnor eller svarta hål. Men så kallade massiva kompakta haloobjekt - MACHOs - undgick upptäckt, och tidigare i år uteslöt en undersökning av Andromeda-galaxen av Subaru-teleskopet i princip varje betydande oupptäckt population av svarta hål. Forskarna sökte efter svarta hål kvar från det mycket tidiga universum, så kallade ursvarta hål, genom att leta efter plötsliga ljusningar som uppstår när de passerar framför bakgrundsstjärnor och fungerar som en svag lins. De hittade exakt en - för få för att bidra väsentligt till galaxens massa.

"Den studien eliminerade ganska mycket möjligheten för MACHOs; jag skulle säga att den är ganska borta, " sa Murayama.

WIMPs – svagt interagerande massiva partiklar – har inte klarat sig bättre, trots att de varit i fokus för forskarnas uppmärksamhet i flera decennier. De bör vara relativt stora - cirka 100 gånger tyngre än protonen - och interagera så sällan med varandra att de kallas "svagt" interagerande. De ansågs interagera oftare med normal materia genom gravitationen, hjälper till att attrahera normal materia till klumpar som växer till galaxer och så småningom skapar stjärnor.

SIMPs interagerar med sig själva, men inte andra

SIMPs, som WIMPs och MACHOs, teoretiskt sett skulle ha producerats i stora mängder tidigt i universums historia och sedan ha svalnat till den genomsnittliga kosmiska temperaturen. Men till skillnad från WIMPs, SIMPs är teoretiserade att interagera starkt med sig själva via gravitation men mycket svagt med normal materia. En möjlighet som föreslagits av Murayama är att en SIMP är en ny kombination av kvarkar, som är de grundläggande komponenterna i partiklar som protonen och neutronen, kallas baryoner. Medan protoner och neutroner är sammansatta av tre kvarkar, en SIMP skulle vara mer som en pion genom att bara innehålla två:en kvark och en antikvark.

SIMP skulle vara mindre än en WIMP, med en storlek eller ett tvärsnitt som en atomkärna, vilket innebär att det finns fler av dem än det skulle finnas WIMPs. Större siffror skulle innebära att trots deras svaga växelverkan med normal materia - främst genom att sprida bort från den, i motsats till att smälta samman med eller förfalla till normal materia - de skulle fortfarande lämna ett fingeravtryck på normal materia, sa Murayama.

Han ser ett sådant fingeravtryck i fyra kolliderande galaxer inom Abell 3827-klustret, var, förvånande, den mörka materien verkar släpa efter den synliga materien. Detta kan förklaras, han sa, genom interaktioner mellan mörk materia i varje galax som bromsar sammansmältningen av mörk materia men inte den av normal materia, i princip stjärnor.

"Ett sätt att förstå varför den mörka materien släpar efter den lysande materien är att partiklarna av mörk materia faktiskt har en begränsad storlek, de sprider sig mot varandra, så när de vill gå mot resten av systemet blir de tillbakaskjutna, " sade Murayama. "Detta skulle förklara observationen. Det är den typen av saker som förutspås av min teori om att mörk materia är ett bundet tillstånd av nya typer av kvarkar."

SIMPs övervinner också en stor brist i WIMP-teorin:förmågan att förklara fördelningen av mörk materia i små galaxer.

"Det har funnits ett långvarigt pussel:Om du tittar på dvärggalaxer, som är mycket små med ganska få stjärnor, de domineras verkligen av mörk materia. Och om du går igenom numeriska simuleringar av hur mörk materia klumpar ihop sig, de förutspår alltid att det är en enorm koncentration mot centrum. En spets, Murayama sa. "Men observationer verkar tyda på att koncentrationen är plattare:en kärna istället för en cusp. Kärna/kuspproblemet har ansetts vara ett av de stora problemen med mörk materia som inte interagerar annat än genom gravitationen. Men om mörk materia har en ändlig storlek, som en SIMP, partiklarna kan "klinra" och sprida sig, och det skulle faktiskt platta ut massprofilen mot mitten. Det är ytterligare ett "bevis" för den här typen av teoretiska idéer."

Pågående sökningar efter WIMPs och axions

Markbaserade experiment för att leta efter SIMP:er planeras, mestadels vid acceleratorer som Large Hadron Collider vid CERN i Genève, där fysiker alltid letar efter okända partiklar som passar nya förutsägelser. Ett annat experiment vid den planerade International Linear Collider i Japan kan också användas för att leta efter SIMP.

När Murayama och hans kollegor förfinar teorin om SIMP och letar efter sätt att hitta dem, sökandet efter WIMPs fortsätter. Experimentet Large Underground Xenon (LUX) med mörk materia i en underjordisk gruva i South Dakota har satt stränga gränser för hur en WIMP kan se ut, och ett uppgraderat experiment som heter LZ kommer att pressa dessa gränser ytterligare. Daniel McKinsey, en UC Berkeley professor i fysik, är en av medtalspersonerna för detta experiment, i nära samarbete med Lawrence Berkeley National Laboratory, där Murayama är seniorforskare på fakulteten.

Fysiker söker också andra kandidater för mörk materia som inte är WIMPs. UC Berkeley-fakulteten är involverade i två experiment som letar efter en hypotetisk partikel som kallas en axion, som kan passa kraven för mörk materia. Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), ledd av Dmitry Budker, en professor emeritus i fysik som nu är vid universitetet i Mainz i Tyskland, och teoretikern Surjeet Rajendran, en UC Berkeley professor i fysik, planerar att leta efter störningar i kärnspinn orsakade av ett axionsfält. Karl van Bibber, professor i kärnteknik, spelar en nyckelroll i Axion Dark Matter-experimentet - High Frequency (ADMX-HF), som försöker detektera axioner inuti en mikrovågshålighet inom ett starkt magnetfält när de omvandlas till fotoner.

"Självklart ska vi inte överge att leta efter WIMPs, Murayama sa, "men de experimentella gränserna börjar bli riktigt, väldigt viktigt. När du väl kommer till nivån för mätning, där vi kommer att vara inom en snar framtid, till och med neutriner blir bakgrunden till experimentet, vilket är ofattbart."

Neutrinos interagerar så sällan med normal materia att uppskattningsvis 100 biljoner flyger genom våra kroppar varje sekund utan att vi märker det, något som gör dem extremt svåra att upptäcka.

"Gemenskapens samförstånd är typ, vi vet inte hur långt vi behöver gå, men vi måste åtminstone komma ner till den här nivån, ", tillade han. "Men eftersom det definitivt inte finns några tecken på att WIMPs dyker upp, folk börjar tänka bredare nu för tiden. Låt oss stanna upp och tänka på det igen."