Jakten på mörk materia är en av de mest spännande utmaningarna som fundamental fysik står inför under 2000-talet. Forskare har länge vetat att det måste finnas, eftersom många astrofysiska observationer annars vore omöjliga att förklara. Till exempel, stjärnor roterar mycket snabbare i galaxer än de skulle om bara "normal" materia fanns.

Totalt, frågan vi bara kan se konton för, som mest, 20 procent av den totala materien i universum – vilket betyder att anmärkningsvärda 80 procent är mörk materia. "Det finns en elefant i rummet men vi kan bara inte se den, sade professor Dmitry Budker, en forskare vid PRISMA+ Cluster of Excellence vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) och Helmholtz Institute Mainz (HIM), förklarar problemet han och många av hans kollegor över hela världen brottas med.

Mörk materia kan bestå av extremt lätta partiklar

Men än så länge vet ingen vad mörk materia består av. Forskare inom området överväger och undersöker en hel rad möjliga partiklar som teoretiskt kan kvalificera sig som kandidater. Bland dessa finns extremt lätta bosoniska partiklar, för närvarande anses vara en av de mest lovande utsikterna. "Dessa kan också betraktas som ett klassiskt fält som oscillerar med en specifik frekvens. Men vi kan ännu inte sätta en siffra på detta - och därför partiklarnas massa, " förklarade Budker. "Vårt grundläggande antagande är att detta mörka materiafält är kopplat till synlig materia och har ett extremt subtilt inflytande på vissa atomegenskaper som normalt skulle vara konstanta."

Budker och hans team i Mainz har nu utvecklat en ny metod som de beskriver i det aktuella numret av den ledande specialistjournalen Fysiska granskningsbrev . Den använder atomspektroskopi och involverar användning av cesiumatomånga. Endast vid exponering för laserljus av en mycket specifik våglängd blir dessa atomer exciterade. Gissningen är att små förändringar i motsvarande observerade våglängd skulle indikera koppling av cesiumångan till ett partikelfält av mörk materia.

"I princip, vårt arbete är baserat på en speciell teoretisk modell, hypoteserna som vi experimentellt testar, " tillade tidningens huvudförfattare, Dr Dionysis Antipas. "I detta fall, konceptet som ligger till grund för vårt arbete är den avslappningsmodell som utvecklats av våra kollegor och medförfattare vid Weizmann-institutet i Israel." Enligt avslappningsteorin, det måste finnas ett område i närheten av stora massor som jorden där densiteten av mörk materia är större, vilket gör kopplingseffekterna lättare att observera och detektera.

Tidigare otillgängligt frekvensområde sökt

Med sin nya teknik, forskarna har nu nått ett hittills outforskat frekvensområde där, som postuleras i avslappningsteorin, effekterna av vissa former av mörk materia på cesiums atomära egenskaper bör vara relativt lätta att upptäcka. Resultaten gör det också möjligt för forskarna att formulera nya begränsningar för vad mörk materia sannolikt kommer att vara. Dmitry Budker liknar detta noggranna sökande med jakten på en tiger i en öken. "I det frekvensområde som vi har utforskat i vårt nuvarande arbete, vi har fortfarande inte identifierat mörk materia. Men åtminstone, nu när vi har sökt i det här intervallet, vi vet att vi inte behöver göra det igen." Forskarna vet fortfarande inte var mörk materia - tigern i hans metafor - lurar, men de vet nu var det inte är. "Vi fortsätter bara att rikta in oss närmare på den del av öknen där tigern mest sannolikt är. Och, vid något tillfälle, vi ska fånga honom, " underhöll Budker med självförtroende.