Du kan inte se det. Du kan inte känna det. Men ämnet som forskare kallar som mörk materia kan stå för fem gånger så mycket "saker" i universum som den vanliga materien som bildar allt från träd, tåg och luften du andas, till stjärnor, planeter och interstellära dammmoln.

Även om forskare ser signaturen av mörk materia indirekt på hur stora föremål kretsar om varandra - särskilt hur stjärnor virvlar runt i spiralgalaxernas centrum - vet ingen ännu vad som består av detta ämne. En av kandidaterna är en Z 'boson, en grundläggande partikel som har teoretiserats för att existera men aldrig upptäckts.

Ett nytt föreslaget experiment kan hjälpa forskare att avgöra om Z -bosoner är verkliga, på det sättet identifiera en möjlig kandidat för mörk materia. För att utföra denna uppgift, forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST), universitetet i Groningen i Nederländerna, det kanadensiska partikelaccelerationscentret TRIUMF och andra samarbetspartners arbetar med att göra de mest exakta mätningarna hittills av en kärnkraftsegendom som är extremt svår att mäta, kallad nukleär spin-beroende paritetsöverträdelse (NSD-PV).

Det fysiska experimentet - som inte har byggts ännu - skulle ha en fontändesign som liknar atomfontänerna som forskare för närvarande använder som standard för tidtagning. Dock, istället för ensamma atomer, experimentet skulle använda molekyler som består av tre atomer vardera. För närvarande har ingen byggt en molekylär fontän med molekyler som innehåller mer än två atomer vardera. Dessutom, till skillnad från tidigare, liknande tillvägagångssätt, den föreslagna metoden skulle fokusera på lättare atomer, som kol, som är lättare att modellera än tyngre, såsom cesiumet som används i NIST -fontänklockor.

Lagets papper, publicerad denna vecka i Fysisk granskning A , innehåller ett förslag till experimentet samt de bästa beräkningarna hittills av vilka mätningar forskarna kan förvänta sig att göra. I sina nya beräkningar, forskare kunde förutsäga vad NSD-PV-signalen borde vara med en osäkerhet på endast 10%-en mycket högre noggrannhet än någonsin tidigare, sa forskarna. Om signalen forskare så småningom får är betydligt större än deras beräkningar förutsäger, det skulle potentiellt vara en signatur av ny fysik - fysik som går utöver ramarna för vår förståelse av universum.

"I det här arbetet, vi kombinerar våra nya experimentella tekniker med våra samarbetspartners toppmoderna kärn- och molekylberäkningar, som öppnar en väg mot att mäta några av de minst kända egenskaperna hos grundläggande partiklar som vi kan mäta, "sa NIST -forskaren Eric Norrgard.

Vad är den stora idén?

NSD-PV-effekten som är fokus för detta arbete är relaterad till den svaga kraften, en av universums fyra grundkrafter. Den svaga kraften är ansvarig för radioaktivt sönderfall och fusion, som förvandlar en sorts atom till en annan. Det spelar också en roll i krafterna som håller elektroner i krets kring atomkärnor.

Till skillnad från de andra grundkrafterna, den svaga kraften upplever något som kallas paritetsbrott, som faktiskt upptäcktes vid National Bureau of Standards (NBS), organisationen som så småningom blev NIST. Paritetsbrott är när, i stort sett, att invertera ett objekts rumsliga koordinater inverterar inte dess beteende. (Om du håller upp fem fingrar i en spegel, och din reflektion håller fyra, det är en paritetskränkning!)

När det gäller NSD-PV, forskare förväntar sig någon form av paritetskränkning. Det de specifikt letar efter är avvikelser i paritetsbrottssignalen - en mätning av kränkningen som skiljer sig från vad de förväntar sig.

Om deras bästa matematiska modeller säger till dem ska NSD-PV-signalen vara x, men deras bästa mått visar dem att signalen faktiskt är y, då kan det vara ett tecken på att grunden för modellerna är felaktig - vilket kan indikera att universum fungerar annorlunda än hur vi tänkte. Det är vikten av att mäta NSD-paritetsöverträdelsen.

De flesta grupper som mäter NSD-PV tittar på system där effekten ska vara störst, i relativt tunga atomer - atomer med ett större antal protoner och neutroner. Exempel är metaller cesium (55 protoner) och barium (56 protoner).

Men även med tunga atomer, effekten är fortfarande så liten att bara ett lag på 1990 -talet kunde se någon signal alls.

Holländarna, TRIUMF- och NIST -forskare och samarbetspartners beslutade sig för ett annat tillvägagångssätt. Tänk om de letade efter effekten i lättare atomer istället?

En unik metod

Tunga atomer har fler neutroner, protoner och elektroner, och detta gör det svårt att beräkna deras beteende. Genom att titta på lättare, enklare atomer, forskare kan modellera systemet med högre noggrannhet. Detta innebär att även om forskarna kommer att leta efter en mindre effekt, de kan vara mer säkra när de ser att det är oväntat.

För att göra sina beräkningar, forskare fokuserade på tre-atommolekyler bildade av kombinationer av de relativt lätta grundämnena beryllium (4 protoner), kol (6 protoner), kväve (7 protoner), och magnesium (12 protoner). För det föreslagna fysiska experimentet, forskare kommer att manipulera dessa molekyler med hjälp av en fontändesign.

Fysiker har arbetat med atomfontäner i decennier. De är en så robust teknik att de fungerar som standarden för tidtagning runt om i världen. Att göra en fontän, forskare använder laser för att kyla atomer tills de nästan slutar röra sig. Sedan använder forskare magneter för att skjuta de stationära atomerna uppåt i vakuum. När de når toppen av sin båge, tyngdkraften drar ner dem igen.

Medan de manipuleras på detta kontrollerade sätt, atomerna sonderas av en annan laser som får dem att fluorescera. Effektivt, forskare kan berätta i vilket kvanttillstånd molekylernas komponenter är baserat på vilken ljusfärg de avger när de undersöks.

Den föreslagna studien kommer att vara liknande, förutom att i stället för enstaka atomer kommer fontänen att manipulera tre-atommolekyler.

Att utföra själva experimentet blir komplicerat - mycket komplicerat, Norrgård sa:eftersom fånga tre-atom-molekyler fortfarande är långt bortom teknikens ståndpunkt. Fortfarande, forskare är villiga att hantera den komplicerade komplikationen, eftersom NSD-PV-signalen i molekyler förväntas vara ungefär en biljon gånger större än i enskilda atomer.

"Just nu på NIST, vi arbetar med att kyla och fånga kemiskt liknande diatomiska tvåatommolekyler, vilket fortfarande är väldigt svårt! "sa Norrgard." Men teknikerna, utrustning och erfarenhet som behövs för att fånga diatomiska molekyler hjälper oss att informera oss om hur vi ska fånga stora molekyler och göra det möjligt för oss att utföra mätningen, "som kan få forskare ett steg närmare att avgöra om det finns Z -bosoner.