Jakten på mørk materie får to nye spor – men ingen oppdagelse

To ulike eksperimenter undersøker nå mørk materie fra hver sin kant. SuperCDMS SNOLAB har begynt å samle inn sine første vitenskapelige data i en underjordisk detektor som skal registrere ørsmå vekselvirkninger mellom partikler. Samtidig viser en ny analyse av 15,5 år med data fra Fermi Large Area Telescope en smal gammastrålelinje nær 43,2 GeV i flere galaksehoper i nærheten.

Ingen av resultatene bekrefter en oppdagelse av mørk materie. SuperCDMS er fortsatt i en tidlig fase, mens gammastrålefunnet foreløpig bare er et lovende signal som må tåle flere uavhengige tester.

1. SuperCDMS SNOLAB starter sitt første vitenskapelige måleprogram

Derfor ligger eksperimentet dypt under bakken og i ekstrem kulde

SuperCDMS SNOLAB ligger omtrent 2 kilometer under bakken i SNOLAB, et dypt underjordisk laboratorium i Vale Creighton-gruven nær Sudbury i Ontario. Bergmassene rundt anlegget bidrar til å skjerme detektoren mot kosmisk stråling og annen stråling som ellers kunne ha etterlignet en mørk-materie-hendelse. 81113

Detektoren holdes også uvanlig kald. Silisium- og germaniumkrystallene opererer ved rundt 15 millikelvin – bare noen få tusendels grader over det absolutte nullpunktet. Den lave temperaturen reduserer termisk støy og gjør det mulig å lete etter de svært små energimengdene som en lett mørk materie-partikkel kan avsette når den treffer en krystall. 1215

Hva SuperCDMS leter etter

Eksperimentet består av 24 detektorer laget av to målmaterialer: germanium og silisium. Detektorene er plassert i tårn og bruker komplementære teknologier for å måle både varme- og ladningssignaler. Slik kombineres svært lav energiterskel med bedre mulighet til å skille ekte signaler fra bakgrunnsstøy. 101114

Dette gir SuperCDMS en særskilt rolle i den bredere jakten. Eksperimentet er ikke bare rettet mot tunge kandidater, men skal særlig undersøke relativt lett mørk materie – partikler som kan være vanskelige å oppdage med større eksperimenter som er optimalisert for andre energiområder. 69

Hva den tidlige fasen betyr

Den første datainnsamlingen kommer etter rundt seks måneders igangkjøring og testing. Dette er ikke den endelige måleperioden med maksimal følsomhet. I den innledende fasen skal forskerne kontrollere detektorenes ytelse, kartlegge bakgrunnsstøy og forbedre analysemetodene. Det fullskala søket er planlagt å starte i 2027. 12

Tidlige data kan likevel gi nyttige begrensninger på teorier – eller i sjeldne tilfeller en uventet kandidat-hendelse. Eksperimentet vil imidlertid ha sitt sterkeste oppdagelsespotensial først når systemet er grundig karakterisert og drives med den planlagte følsomheten.

2. Fermi-data peker mot en foreløpig gammastrålelinje ved 43,2 GeV

Dette fant analysen

En separat studie undersøkte 15,5 år med offentlig tilgjengelige data fra Fermi-LAT, NASAs Large Area Telescope, og analyserte 13 massive galaksehoper i nærheten. Forskerne rapporterte et linjelignende overskudd nær 43,2 GeV. De sterkeste bidragene kom fra galaksehopene Virgo, Fornax og Ophiuchus.

En smal gammastrålelinje er interessant fordi enkelte modeller for mørk materie forutsier at partikler kan produsere fotoner med en bestemt karakteristisk energi når de utsletter hverandre. I en slik tolkning kan signalet være forenlig med utslettelse av såkalte WIMP-er – hypotetiske, svakt vekselvirkende massive partikler. Resultatet er derfor et mulig spor innen partikkelfysikken, ikke en direkte måling av mørk materie.

Hvorfor dette ikke er en oppdagelse ennå

Resultatet er spennende, men statistisk signifikans er ikke det samme som en bekreftelse. I redegjørelsen som ligger til grunn her, beskrives signalet som omtrent 4,3 sigma. Det er lavere enn den konvensjonelle grensen på 5 sigma som vanligvis brukes som standard for en oppdagelse innen partikkelfysikk. En separat konferanseoppsummering av beslektede analyser av signalet rundt 43 GeV oppgir en lavere signifikans på 3,7 sigma etter at man har tatt hensyn til «look-elsewhere»-effekten – den statistiske straffen for å lete gjennom mange energier og datautvalg.

Det finnes også flere mulige forklaringer som ikke har med mørk materie å gjøre:

• en ufullstendig modell av astrofysiske gammastråle-bakgrunner;
• en statistisk tilfeldighet som er blitt tydeligere etter at lovende energier eller mål er valgt ut; eller
• en effekt knyttet til instrumentet, kalibreringen eller utvalget av hendelser.

Tidligere arbeid med Fermi-LAT-data fra galaksehoper beskrev også et mulig signal nær 43 GeV, men fant ingen globalt statistisk signifikant linje. Derfor bør det nye funnet først og fremst ses som et spor som må følges opp – ikke som bevis på at WIMP-er er oppdaget.

Slik henger de to resultatene sammen

SuperCDMS og Fermi undersøker ulike muligheter for hva mørk materie kan være.

• SuperCDMS er et direkte-deteksjonseksperiment. Det venter på at en mørk materie-partikkel skal avsette energi i en kald germanium- eller silisiumkrystall.
• Fermi-analysen er et indirekte søk. Den leter etter stråling som kan oppstå når mørk materie-partikler utsletter hverandre i tette kosmiske strukturer.

Et positivt resultat fra en av metodene måtte fortsatt skilles fra vanlige bakgrunnskilder og støttes av mer enn én analyse. Sammenfallende resultater fra uavhengige metoder ville vært langt mer overbevisende, men de to utviklingene er ikke kommet så langt ennå.

Hva skjer videre?

For det underjordiske søket er den neste viktige milepælen overgangen fra igangkjøring og tidlig vitenskapelig drift til SuperCDMS’ planlagte måleprogram med full følsomhet i 2027. Større datamengder og bedre kartlegging av bakgrunnsstøy skal gi en strengere test av modeller for lett mørk materie. 26

For gammastrålesignalet er gjentakelse den avgjørende testen. Nye observasjoner med bedre følsomhet eller høyere energioppløsning kan vise om 43-GeV-signalet dukker opp på nytt i de samme galaksehopene og oppfører seg slik en mørk-materie-modell forutsier. Uavhengige instrumenter vil også kunne kontrollere om funnet skyldes særegenheter ved Fermi.

NASAs Nancy Grace Roman Space Telescope vil undersøke problemet på en annen måte. Med infrarøde oversiktsmålinger over store deler av himmelen og målinger av gravitasjonslinser skal teleskopet kartlegge hvordan mørk materie er fordelt, og hvordan den påvirker synlige galakser – ikke lete direkte etter WIMP-er.

Til sammen viser programmene hvorfor forskningen på mørk materie bruker flere utfyllende strategier: Forskerne leter etter mulige kollisjoner på jorden, undersøker utslettelsesprodukter i verdensrommet og kartlegger den usynlige materiens gravitasjonseffekter gjennom universet.

Den mest nøkterne konklusjonen akkurat nå er derfor enkel: Jakten har fått to verdifulle nye spor, men fortsatt ikke et bekreftet svar.