Den första teorin om mörk materia publicerades av astronomen Fritz Zwicky på 1930-talet. Han studerande galaxernas rörelser och konstaterade att stjärnornas massa inte i sig själv var tillräcklig för att hålla ihop galaxerna. Vera Rubin och Kent Ford Jr kom fram till motsvarande resultat på 1970-talet. Teorin om en urexplosion (”the big bang”) innebar en möjlighet att kalkylera mängden protoner och neutroner i universum av de relativa halterna av väte och helium.
Det visade sig att om det endast skulle finnas sådan materia i universum som vi känner till, dvs. protoner, neutroner och elektroner, så skulle universum se väldigt annorlunda ut. Största delen av all materia i universum är någonting annat än det som vi kan se med ögat.
Även om vi har känt till förekomsten av mörk materia under en lång tid vet vi inte ännu idag vad det är för någonting. Det vi vet är att mörk materia förekommer i ungefär fem gånger större utsträckning än vanlig materia i universum samt att materian inte är elektriskt laddad. Vi vet att den inte känner av stark kärnkraft. I så fall skulle vi ha upptäckt exotiska atomer eller kärnor med mörk materia.
Jakten på mörk materia trädde på 2010-talet in i en ny fas då CERN:s Large Hadron Collider-accelerator (LHC) startade. I många modeller interagerar mörk materia med vanlig materia med hjälp av svag kärnkraft. LHC kan hitta en sådan partikel för mörk materia, om den inte är allt för tung.
Vi kan komma att lösa mysteriet med mörk materia under de närmaste åren. Om partikeln inte hittas kommer vi att vara tvungna att skrota många teorier om mörk materia. Om vi å andra sidan hittar en partikel för mörk materia, öppnas dörren för en ny teori om partikelfysik.
Dagens kunskap om partikelfysik har sammanställts i en standardmodell. I standardmodellen ingår alla kända partiklar och krafter, med undantag för tyngdkraften.
Vi kan komma att lösa mysteriet med mörk materia under de närmaste åren.
Även inom kosmologin, dvs. studiet av universum, finns en egen standardmodell. Den utgår från egenskaperna hos kosmisk mikrovågsstrålning.
Kosmisk mikrovågsstrålning uppkom då universum övergick från ogenomskinlig plasma till genomskinlig gas. Ljuset som uppkommit av plasma är fortfarande synligt som mikrovågor. Variationerna i täthet i det tidiga universum – kärnorna till de galaxer som vi känner till – är synliga som små variationer i mikrovågsstrålningens temperatur.
Problemet är att standardmodellerna för partikelfysik och kosmologi inte är kompatibla. Egenskaperna hos den kosmiska mikrovågsstrålningen, universums ökande expansion och stjärnornas rörelse i galaxerna förutsätter existensen av mörk materia och mörk energi. Mörk materia är nödvändig för att galaxerna och mindre strukturer ska kunna ha bildats så snabbt som de har gjort. Vid simulering av universums utveckling har vi upptäckt att mörk materia försnabbar uppkomsten av variationer i tätheten. Av variationerna uppkommer stjärnor och galaxer.
Utan mörk materia skulle livet på jorden som det ser ut idag inte existera! Mörk materia ingår inte i standardmodellen för partikelfysik och det finns ingen förklaring för mörk energi.
Vanligtvis antar vi att det finns åtminstone en fast partikel utöver de protoner, neutroner, elektroner och neutriner som vi känner till. Den bildar den mörka materian. Att upptäcka denna partikel är en av de största utmaningarna inom partikelfysiken.
Utan mörk materia skulle livet på jorden som det ser ut idag inte existera!
Inom partikelfysiken observeras partiklar med detektorer. I detektorerna joniserar partiklarna ämnet i detektorn, varvid den elström som uppkommer kan observeras. Eller så kolliderar partiklarna med atomerna i detektorn och avger sin egen rörelseenergi som värme. Då kan denna värmeenergi observeras.
Mörk materia lämnar inga spår i vanliga partikeldetektorer. Frågan är alltså hur vi hittar någonting som är osynligt.
Hur kan vi alltså göra det osynliga synligt?
Vi letar efter mörk materia genom att låta protoner och andra partiklar kollidera i partikelacceleratorer. Det är inte möjligt att se själva mörka materian. Det vi letar efter är en reaktion som även ger upphov till någonting synligt, som flyger i en annan riktning vid kollisionen. Om vi i detektorerna ser partiklar i en riktning men inga partiklar i motsatt riktning, kan det vara fråga om mörk materia. Idag kan vi kalkylera den andel som uppkommer av kända partiklar. Vid försök letar vi efter tydliga avvikelser från dessa prognoser.
Ett annat sätt att leta efter mörk materia är att bygga en stor underjordisk detektor – det mest känsliga är Xenon1T-experimentet i Gran Sasso (en tank med över ett ton flytande xenon) – och försöka hitta situationer där den mörka materians partikel kolliderar med atomerna i detektorn och lyckas förändra atomens energinivå. Då uppkommer ljus, som observeras. Kollisioner av detta slag är ovanliga.
Motsvarande kollisioner kan även förekomma av andra anledningar. Kollisioner som beror på mörk materia kan dock skiljas åt från andra.
Om man springer i en cirkel i regnet, får man fler regndroppar i ansiktet om man springer i motvind än om man springer i medvind. Jordklotet kretsar kring solen, så när det handlar om mörk materia rör sig jorden i ”motvind” i juni och i ”medvind” i december. Om en variation av detta slag skulle upptäckas i antalet kollisioner skulle detta vara ett tecken på mörk materia. Tills vidare har vi inte kunnat se något årligen förekommande fenomen av detta slag vid experiment.
Då uppkommer ljus, som observeras.
Om partikeln för mörk materia hittas före nästa nya partikel, öppnar det dörren för att även lösa andra problem med standardmodellen för partikelfysik. Dessa problem har koppling till att vi inte förstår varför standardmodellen ser ut så som den gör. Då vi matar in nitton talvärden samt de kända partiklarna och krafterna i standardmodellen fungerar den bra. Vi vet dock inte varför just dessa talvärden bör väljas.
Partikelfysikernas förhoppning är att de drag som för närvarande verkar slumpmässiga i den mer omfattande teorin kommer att få en förklaring. En del av problemen med standardmodellen kan lösas med exempelvis supersymmetri eller extra dimensioner. Om mörk materia hittas, hjälper dess egenskaper oss välja rätt sätt att utvidga standardmodellen. Om den inte hittas under de närmaste åren kan vissa alternativ förkastas.
Tills vidare har vi inte fått någon signal om mörk materia vid LHC-experiment eller andra experiment, men jakten på det osynliga fortsätter. Om vi lyckas med detta kan vi få en större förståelse för universum än vad vi har idag.