Het tijdperk van ontdekking is nog niet voorbij.

Een keer, met scheurbuik doorzeefde Europeanen zeilden het onbekende in om buitenlandse, fantastische delen van de wereld. Nutsvoorzieningen, natuurkundigen zitten in laboratoria en vragen, "Is dit alles wat er is?"

Nee, ze lijden niet aan een collectieve existentiële crisis.

Ze zijn op zoek naar donkere materie - de stof die in theorie een kwart van ons universum uitmaakt.

En West Aussie-onderzoekers lopen voorop in deze zoektocht, als onderdeel van een Australisch project om een ​​deeltje te detecteren dat het axion wordt genoemd.

Wat is de (donkere) materie?

Als donkere materie bestaat, je zit er nu waarschijnlijk in een soep van.

Wetenschappers voorspellen dat het 26,8% van het universum uitmaakt, wat behoorlijk belangrijk is als je bedenkt dat al het andere dat we kunnen waarnemen - van waterstofatomen tot zwarte gaten - slechts 5% uitmaakt. (De andere 69% is iets wat wetenschappers donkere energie noemen. Maak je geen zorgen.)

Er is alleen een probleem. Het heeft geen interactie met elektromagnetisme - de kracht tussen positief en negatief geladen deeltjes. Het is verantwoordelijk voor praktisch alles wat we in het dagelijks leven kunnen waarnemen, met uitzondering van de zwaartekracht.

De elektromagnetische krachten die aanwezig zijn tussen atomen en moleculen in de grond, zijn de reden dat de zwaartekracht van de aarde ons niet helemaal naar beneden naar zijn (gesmolten hete) kern trekt. Het licht dat door uw computer wordt uitgestraald, zodat u dit verhaal kunt lezen, wordt gegenereerd door interacties van elektrisch geladen deeltjes in uw monitor, ook wel elektriciteit genoemd.

Gewone materie lijkt op gewone materie vanwege de elektromagnetische krachten tussen atomen en moleculen. Maar donkere materie heeft geen interactie met elektromagnetisme. Dat betekent dat we niet kunnen zien, geur, proeven of aanraken. Dus als donkere materie in wezen niet detecteerbaar is, waarom denken we dat het bestaat? En waar zijn we in hemelsnaam naar op zoek?

In het donker

Laten we beginnen met een basisaanname:zwaartekracht bestaat. Samen met elektromagnetisme, zwaartekracht is een van de vier basiskrachten die natuurkundigen gebruiken om bijna alles te verklaren. Zwaartekracht zegt dat zware dingen alle andere zware dingen aantrekken, dus de aantrekkingskracht van de aarde is de reden dat we niet allemaal doelloos in de ruimte zweven.

Als we in al die ruimte turen, we kunnen zien dat ons Melkwegstelsel spiraalvormig is. Smack bang in het galactische centrum is een grote, staafvormige uitstulping waaruit spiraalvormige armen in een platte cirkel rondslingeren. De aarde zit ergens in het midden van een van die armen en voltooit elke 225 tot 250 miljoen jaar een ronde van de melkweg.

Als we het hele universum beschouwen als een gigantisch pretpark, we kunnen ons onze Melkweg voorstellen als een carrousel. In tegenstelling tot normale carrousels met plastic pony's die op hun plaats zijn bevestigd door palen, de sterren, manen en planeten die deel uitmaken van onze melkweg zijn losgekoppeld en vrij om met verschillende snelheden rond te draaien.

Dus als alles onsamenhangend is en draait, wat houdt ons netjes rond in onze kleine spiraal? Als we doorgaan met de analogie van het themapark, we kunnen dit fenomeen vergelijken met een ritje met een schommelstoel. Als je in een stoel rond een toren slingert, een metalen ketting zorgt voor een constante kracht in het midden van de rit waardoor je rond en rond die centrale paal blijft draaien.

Hetzelfde gebeurt in de ruimte, behalve in plaats van een ketting, we hebben zwaartekracht. Zwaartekracht wordt geleverd door de massa spullen - in het bijzonder, de massa van ons galactische centrum, waarvan wetenschappers denken dat het een superzwaar zwart gat is. Het heeft zoveel massa in zo weinig ruimte dat het een zwaartekracht uitoefent die zo hoog is dat het licht naar binnen zuigt.

Als je van het centrum weggaat en in de platte galactische halo komt, we zien veel minder spullen. Minder spullen betekent minder massa, wat minder zwaartekracht betekent. We zouden daarom kunnen verwachten dat het spul in de spiraalarmen langzamer ronddraait dan het spul dichter bij het midden.

Wat astrofysici eigenlijk zien, is dat dingen aan de buitenrand van de melkweg in hetzelfde tempo ronddraaien als dingen in de buurt van het centrum van de melkweg - en dat is behoorlijk verdomd snel. Als dit het geval was in ons themapark, we zouden in een nachtmerriescenario terecht zijn gekomen.

De rit met de draaiende stoel zou zo snel ronddraaien dat de ketting niet langer voldoende kracht zou leveren om je in een cirkel te laten bewegen. De ketting zou breken, en je zou de dood in worden geslingerd die een horrorfilm van B-kwaliteit waardig is.

Het feit dat de aarde niet ver en wijd is weggeslingerd, suggereert dat we omringd zijn door veel meer massa, dat zorgt voor een hele hoop zwaartekracht en houdt ons melkwegstelsel in vorm. En de meeste natuurkundigen denken dat massa misschien gewoon donkere materie is.

Donkere kandidaten

Even maar, vergeet alles wat je net hebt gelezen. We gaan stoppen met staren naar sterren en in plaats daarvan veel kleinere dingen onderzoeken:deeltjes. De deeltjesfysica herbergt dit probleem dat het sterke ladingspariteitsprobleem (CP) wordt genoemd. Het is een heel groot onverklaarbaar probleem in de overigens succesvolle theorie van de kwantumchromodynamica. Maak je er geen zorgen over.

Met behulp van wiskundige vergelijkingen, deeltjesfysici in de jaren 70 suggereerden dat we dit sterke CP-probleem konden oplossen met de introductie van een theoretisch deeltje dat het axion wordt genoemd. En als we meer wiskunde doen en een beschrijving schrijven van hoe het axiondeeltje eruit zou moeten zien, we zouden ontdekken dat het twee zeer opwindende eigenschappen heeft:a) het heeft massa en b) het heeft helemaal niet veel interactie met elektromagnetisme.

Which sounds suspiciously like the qualities of dark matter. The axion is what physicists call a 'promising candidate' for dark matter. It's like killing two birds with one theoretical, invisible stone.

And if axions are dark matter, we should be surrounded by them right now. If we could only build the right equipment, we could perhaps detect the mysterious mass that's holding our galaxy together. As it happens, some clever scientists at UWA are doing just that.

Dark matter turns light

Physicists at a UWA node of the ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQuS) are employing a piece of equipment called a haloscope—so called because it searches for axions in the galactic halo (which you're sitting in right now).

A haloscope is basically an empty copper can (a 'resonant cavity') placed in a very cold, very strong magnetic field. If axions are dark matter and exist all around us, one might enter the resonant cavity, react with the magnetic field and transform into a particle of light—a photon.

Whilst we wouldn't be able to see these photons, scientists are pretty good at measuring them. They're able to measure how much energy it has (its frequency) as it sits inside the resonant cavity. And that frequency corresponds to the mass of the axion that it came from.

Het probleem is, resonant cavities (those empty copper cans) are created to detect photons with specific frequencies. We don't know how heavy axions are, so we don't know what frequency photon they will produce, which means building the right resonator involves a bit of guesswork.

The search for the axion is more of a process of elimination. What have they been able to exclude so far? We zullen, mostly due to technical limitations, scientists have previously been looking for axions with a low mass. New theoretical models predict that the axion is a bit heavier. How heavy? We don't know. But Aussie researchers have just been awarded 7 years of funding to try and find out.

Scoping the halo

The Oscillating Resonant Group AxioN (ORGAN) experiment is a nationwide collaboration between members of EQuS and is hosted at UWA.

Part of the physicists' work over the next 7 years will be to design resonant cavities that are capable of detecting heavier axions.

They ran an initial experiment over Christmas 2016, the ORGAN Pathfinder, to confirm that their haloscopes were up to the task ahead and that the physicists were capable of analysing their results.

This experiment yielded no results—but that doesn't mean that axions don't exist. It only means that they don't exist with the specific mass that they searched for in December 2016 and to a certain level of sensitivity.

The intrepid explorers at UWA will set sail into the next stages of the ORGAN experiment in 2018. And perhaps soon, we'll know exactly what the matter is.

Dit artikel verscheen voor het eerst op Particle, een wetenschappelijke nieuwswebsite gebaseerd op Scitech, Perth, Australië. Lees het originele artikel.