Minstens een kwart van het heelal is onzichtbaar.

In tegenstelling tot röntgenstralen die het blote oog niet kan zien, maar apparatuur wel kan meten, wetenschappers moeten donkere materie nog ontdekken na drie decennia zoeken, zelfs met 's werelds meest gevoelige instrumenten. Maar donkere materie is zo fundamenteel voor de natuurkunde dat wetenschappers, ondersteund door het Department of Energy's Office of Science, ernaar zoeken in enkele van 's werelds meest geïsoleerde locaties, van diep onder de grond naar de ruimte.

"Zonder donkere materie, het is mogelijk dat we niet zouden bestaan, " zei Michael Salamon, een DOE Office of Science High Energy Physics (HEP) programmamanager.

Het Office of Science ondersteunt een uitgebreid programma in de jacht op donkere materie en andere fenomenen die wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe het universum functioneert op het meest fundamentele niveau.

Sporen van de invloed van donkere materie

Wat we wel weten over donkere materie komt van de manier waarop het het universum bijna zo ver terug als de oerknal heeft beïnvloed. Als pootafdrukken achtergelaten door een ongrijpbaar dier, de kosmos zit vol met tekenen van het bestaan ​​van donkere materie, maar we hebben het wezen zelf niet gezien.

Astronoom Fritz Zwicky ontdekte donkere materie in 1933 toen hij de Coma Cluster van sterrenstelsels onderzocht. Hij merkte dat ze veel minder licht uitstraalden dan ze hadden moeten zijn, gezien hun massa. Na wat berekeningen te hebben uitgevoerd, hij realiseerde zich dat het grootste deel van de massa van de cluster helemaal geen licht of elektromagnetische straling uitstraalde.

Maar het was niet alleen dat cluster. Vandaag, we weten dat zichtbare materie slechts vijf procent uitmaakt van de totale massa-energie van het universum. (Als de beroemde vergelijking van Einstein, E=mc2, vertel ons, de concepten materie en energie zijn intrinsiek met elkaar verbonden.) Donkere materie maakt ongeveer een kwart uit van de totale massa-energie, terwijl donkere energie de rest omvat.

Sinds Zwicky's eerste ontdekking, wetenschappers hebben een aantal andere verklikkers gevonden. Onderzoek naar de rotatie van sterrenstelsels in de jaren 70, astronoom Vera Rubin realiseerde zich dat ze niet bewegen zoals ze "moeten" als er maar zichtbare materie bestaat. Haar ontdekking van het rotatieprobleem van sterrenstelsels levert een van de sterkste bewijzen voor het bestaan ​​van donkere materie. evenzo, kosmische achtergrondstraling, waarop een verslag van het vroege heelal is afgedrukt, weerspiegelt de aanwezigheid van donkere materie.

Wetenschappers denken dat donkere materie hoogstwaarschijnlijk bestaat uit een geheel nieuw elementair deeltje dat buiten het standaardmodel zou vallen waar alle momenteel bekende deeltjes in passen. Het zou slechts zwak interageren met andere bekende deeltjes, waardoor het erg moeilijk te detecteren is. Er zijn twee leidende deeltjes die theoretici hebben gepostuleerd om de kenmerken van donkere materie te beschrijven:WIMP's en axions.

Weakly Interacting Massive Particles (WIMP's) zouden elektrisch neutraal zijn en 100 tegen 1, 000 keer massiever dan een proton. Axionen zouden geen elektrische lading hebben en buitengewoon licht zijn - mogelijk zo laag als een biljoenste van de massa van een elektron.

Op jacht naar donkere materie

Niet alleen zendt donkere materie geen licht of elektromagnetische straling uit, het heeft zelfs geen interactie met hen. In feite, de enige manier waarop wetenschappers er zeker van zijn dat donkere materie interageert met gewone materie is door zwaartekracht. Dat is de reden waarom miljoenen donkere materiedeeltjes door normale materie gaan zonder dat iemand het merkt. Om zelfs de kleinste glimp vast te leggen, wetenschappers gebruiken enkele van de meest geavanceerde apparatuur ter wereld.

Het grote ondergrondse Xenon-experiment en directe detectie

Het Large Underground Xenon (LUX) experiment, die bijna twee jaar duurde en eindigde in mei 2016, was een van de belangrijkste pogingen om donkere materie rechtstreeks te detecteren.

Om een ​​deeltje van donkere materie rechtstreeks te detecteren, moet het tegen een kern (de kern van een atoom) van gewone materie botsen. Als dit gebeurt, de kern zou slechts een klein beetje detecteerbare energie afgeven. Echter, de kans dat deze deeltjes botsen is verbluffend laag.

In aanvulling, Het aardoppervlak heeft een buitengewone hoeveelheid radioactief "geluid". Als je bovengronds interacties met donkere materie probeert te detecteren, is het alsof je iemand probeert te horen fluisteren door de kamer van een luidruchtige kleuterschool.

Om de kans op het detecteren van een donkeremateriedeeltje en alleen een donkeremateriedeeltje te vergroten, LUX was enorm en bevond zich meer dan een mijl onder de grond. Met een derde van een ton gekoeld vloeibaar xenon omgeven door 72, 000 gallons water en krachtige sensoren, LUX had 's werelds beste gevoeligheid voor WIMP's. Het zou een deeltje kunnen detecteren met een massa van enkele keren tot 1800 keer de massa van een proton. Ondanks dit alles, LUX heeft nooit genoeg gebeurtenissen vastgelegd om sterk bewijs te leveren van de aanwezigheid van donkere materie.

LUX was wat HEP een "Generation 1" direct detectie-experiment noemt. Andere "Generation 1" directe detectie-experimenten die momenteel worden uitgevoerd en ondersteund door het Office of Science, nemen een iets andere richting in. De PICO60, Donkere kant-50, en SuperCDMS-Soudan-experimenten, bijvoorbeeld, zoek naar WIMP's, terwijl de ADMX-2adetector jaagde op de andere potentiële kandidaat voor donkere materie, het axion.

Er zijn momenteel ook "Generation 2" directe detectie-experimenten in ontwerp, fabricage, of inbedrijfstelling, waaronder de LUX-Zeplin (LZ), Super CDMS-SNOLAB, en ADMX-Gen2.

De Alpha Magnetische Spectrometer en Indirecte Detectie

In aanvulling, er zijn experimenten gericht op indirecte detectie.

Sommige theoretici stellen dat botsende donkere-materiedeeltjes elkaar kunnen vernietigen en twee of meer "normale" deeltjes kunnen produceren. In theorie, botsende WIMP's kunnen positronen produceren. (Een positron is de positief geladen antimaterie-tegenhanger van het elektron.) De alfamagnetische spectrometer op het internationale ruimtestation ISS vangt kosmische straling op, stukjes atomen versneld tot hoge energieën door exploderende sterren. Als de AMS een groot aantal positronen detecteert in een hoogenergetisch spectrum waar ze normaal niet zouden zijn, het kan een teken zijn van donkere materie.

"AMS is een prachtig instrument, "zei Salamon. "Iedereen erkent dat dit 's werelds meest nauwkeurige kosmische stralingsexperiment in de ruimte is."

Tot dusver, de AMS heeft 25 miljard gebeurtenissen geregistreerd. Er is een overmaat aan positronen gevonden binnen het juiste bereik, maar er is niet genoeg bewijs om definitief te zeggen waar de positronen vandaan komen. Er zijn andere mogelijke bronnen, zoals pulsars.

Naast de AMS, DOE ondersteunt ook de Fermi Gamma-Ray Space Telescope, dat gammastraling analyseert terwijl het de aarde omcirkelt en mogelijk een andere route biedt voor detectie van donkere materie.

Productie van donkere materie bij de Large Hadron Collider

In theorie, een deeltjesversneller zou donkere materie kunnen creëren door standaarddeeltjes met hoge energieën te laten botsen. Hoewel de versneller de donkere materie zelf niet zou kunnen detecteren, het zou kunnen zoeken naar "ontbrekende" energie die door zo'n interactie wordt geproduceerd. Wetenschappers van de Large Hadron Collider, 's werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller, nemen deze aanpak.

Geleerde lessen en de toekomst van onderzoek

Tot dusver, geen enkel experiment heeft een definitief spoor van donkere materie opgeleverd.

Maar deze experimenten hebben niet gefaald - in feite, velen zijn behoorlijk succesvol geweest. In plaats daarvan, ze hebben ons zoekveld verkleind. Zoeken naar donkere materie is als zoeken naar een verloren voorwerp in je huis. Terwijl je door elke kamer jaagt, je elimineert systematisch plaatsen waar het object zou kunnen zijn.

In plaats van kamers, wetenschappers zijn op zoek naar donkere materie over een reeks van interactiesterkten en massa's. "Naarmate experimenten gevoeliger worden, we beginnen theoretische modellen te elimineren, ' zei Salamon.

De zoektocht naar donkere materie is nog lang niet voorbij. Met elk stukje gegevens, we komen dichter bij het begrijpen van dit alomtegenwoordige maar ongrijpbare aspect van het universum.