Signalen från underjorden kan vara mörk materia

En okänd partikel kolliderade med en atomkärna i en tank fylld med sju ton xenon, 1,5 kilometer under jordytan i en gammal guldgruva i South Dakota i USA, kvällen den 16 juni 2023. Tre år senare har forskarna bakom Lux-Zeplin-experimentet presenterat sina analyser. Vid astropartikelfysikkonferensen Tevpa 2026 i Japan den 1 september väckte resultatet stor uppståndelse: händelsen kan vara den första observerade signalen från mörk materia.

Sedan presentationen har fysiker laddat upp fler än 70 artiklar till arXiv, den öppna databas där forskare delar resultat innan de granskats. Tim Linden, teoretisk fysiker vid Stockholms universitet, säger att gensvaret är det största han kan minnas för en signal av detta slag.

– Det är sällsynt att få så stor respons från forskarvärlden så snabbt, säger han.

Att universum måste innehålla mer materia än den vi kan se är en insikt från 1930-talet. Då studerade schweizaren Fritz Zwicky och svensken Knut Lundmark fjärran galaxer och galaxhopar. Fyrtio år senare bekräftade den amerikanska astronomen Vera Rubin bilden när hon mätte hur spiralgalaxer roterar. Utan betydligt mer materia skulle galaxerna inte hålla ihop.

Den materia som bygger upp stjärnor, planeter och människor utgör bara omkring 15 procent av universums massa. De övriga 85 procenten kallas mörk materia. Den finns överallt, men varken avger eller reflekterar ljus, och ingen vet vad den består av.

Den hetaste kandidaten kallas wimp, weakly interacting massive particles, tunga elementarpartiklar som känner av den svaga kraften. Om hypotesen stämmer passerar miljarder wimpar genom vår kropp varje sekund, men bara ungefär en gång i månaden kolliderar en av dem med en atom i kroppen.

– Wimpar är en stark kandidat. De underliggande fysikaliska mekanismerna kan förklara att det finns ungefär sex gånger så mycket mörk materia som vanlig materia, säger Tim Linden.

För att fånga så svaga signaler krävs extremt känsliga instrument. Lux-Zeplin är en tank med ädelgasen xenon, placerad i en övergiven guldgruva i South Dakota.

– Vi träffas av kosmisk strålning många gånger i sekunden. Den gör jordytan full av brus. Men på en och en halv kilometers djup minskar den kosmiska strålningen med mer än en miljon gånger, säger Richard Gaitskell, professor vid Brown University och talesperson för Lux-Zeplin.

Allt material i och runt detektorn måste vara extremt rent. En vanlig människa avger omkring 5 000 gammastrålar per sekund från radioaktiva sönderfall i kroppen.

– Om du eller jag stod bredvid detektorn skulle vi göra den helt oanvändbar, säger Gaitskell.

Det möjliga genombrottet kom när forskarna gick igenom data från 220 dygn och letade efter wimp-signaler med andra energier än tidigare. Sannolikheten att händelsen är radioaktivt bakgrundsbrus är ungefär en på 200.

– De flesta ser odds på mindre än en på hundra som extremt osannolikt. Men som fysiker måste vi vara väldigt konservativa, säger Gaitskell.

Liknande detektorer finns på andra håll. I Gran Sasso-laboratoriet i Italien drivs Xenon-experimentet, där Jan Conrad, professor i astropartikelfysik vid Stockholms universitet, arbetar. Han tycker att resultaten är intressanta.

– De har gjort ett gediget arbete, säger han.

Anomalier har dykt upp förut, ofta vid gränsen för vad detektorn förmår mäta.

– Men det här ligger i ett område där våra detektorer är väldigt effektiva.

Signalens energiområde är oväntat för de flesta modeller, men stämmer med en modell som kallas Higgsino, en hypotetisk superpartner till higgsbosonen.

– Modellen gör mycket specifika förutsägelser. Hittills har vi inte haft tillräckligt känsliga detektorer för att kunna upptäcka dem, säger Tim Linden.

Han jämför med att se en lila elefant. En enda observation räcker för att veta att lila elefanter finns, men man måste utesluta optiska effekter, märkliga väderförhållanden eller ungdomar med sprayfärg. Därför blir nästa steg att leta efter fler händelser i Lux-Zeplin, Xenon och PandaX i Sichuan i Kina. Jan Conrad säger att hans grupp har ungefär dubbelt så mycket data att analysera som Lux-Zeplin hittills presenterat.

Om fler signaler dyker upp kan gåtan vara löst. En möjlig Nobelpriskandidat är Elena Aprile, talesperson för Xenon-experimentet.

– Hon är pionjären och mamman till hela det här fältet. Det är hennes gamla studenter som har byggt upp de konkurrerande experimenten, säger Jan Conrad.

Richard Gaitskell har ägnat hela sin karriär åt sökandet efter mörk materia. Även om den nya signalen skulle visa sig vara felaktig, menar han att forskningen har lärt oss något.

– 95 procent av all forskning ger negativa resultat, eftersom vi ofta ställer frågor där vi inte vet svaret. Att göra vetenskapliga framsteg är att inse att vi ofta bara utesluter något, eller får ett resultat som inte är entydigt. Så ser forskning till största delen ut.