Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

På jagt efter mørkt stof i laboratoriet

En artikel i Physical Review Letters med IFAs Cyrille Solaro fra professor Michael Drewsens forskergruppe som førsteforfatter fortæller om et forsøg på at indsnævre grænserne for, hvor meget partiklerne, som udgør det mørke stof, kan påvirke almindeligt stof.

18.09.2020 | Ole J. Knudsen

Isotopskiftet forårsaget af en "eksotisk" partikel - symboliseret ved bogstavet phi. Illustration: John Andersen/IFA

Isotopskiftet forårsaget af en "eksotisk" partikel - symboliseret ved bogstavet phi. Illustration: John Andersen/IFA

Astronomiske observationer fortæller os, at der findes mørkt stof i Universet, men på trods af snart mange års forsøg og spekulationer, véd vi endnu ikke, hvad det er. Den eneste måde, det afslører sig på, er ved tyngdekraften. Ved højenergianlæggene, som for eksempel CERN har man forsøgt at finde tegn på de ukendte partikler, som nødvendigvis må eksistere i sammenhæng med det mørke stof. Der mangler også viden om andre partikler - måske de samme -, til forklaring af, hvorfor der udelukkende findes stof og ikke antistof, og hvilken sammenhæng der er imellem Higgs-partiklens masse og Planckskalaen.

Massen for de ukendte partikler er ukendt, og derfor søger fysikerne om ikke helt i blinde, så dog med mange forskellige metoder efter dem.

Hvis man antager, at der er eksemplarer af de ukendte partikler i nærheden af os - det vil sige i laboratorierne, kunne man forestille sig, at de ville påvirke almindeligt stof på en måde, som vi ville kunne måle, og det er netop tanken bag de eksperimenter, som beskrives i artiklen med titlen " Improved Isotope-Shift-Based Bounds on Bosons beyond the Standard Model through Measurements of the 2D3/22D5/2 Interval in Ca+". Sammen med andre forskere fra IFAs ionfældegruppe ledet af professor Michael Drewsen og fra University of New South Wales i Sydney, Fermilab i USA og University of Chicago beskriver Cyrille Solaro  et vellykket forsøg på at sætte snævre bånd på koblingen imellem mørkt stof og normalt stof ved målinger af isotopskiftet af elektroniske overgange i udvalgte atomer. Resultaterne er næsten hundrede gange bedre end tidligere.

I artiklen beskrives endvidere hvordan man i den nære fremtid med denne metode vil blive i stand til at måle meget mere præcist, og derigennem forhåbentligt endeligt at måle tilstedeværelsen af mørkt stof i laboratoriet. I den forbindelse har Ionfældegruppen indledt et samarbejde med Prof. Hua Guan, Chinese Academy of Sciences, Wuhan, China.

Artiklen i Physical Review Letters er udset til særlig omtale i form af "Editors Suggestion", og har også fået speciel opmærksomhed i onlineportalen "Physics" for American Physical Society.

 

Lidt mere om isotopskift, og det såkaldte King-plot

Isotopskift er den ændring i de elektroniske tilstande i atomer der forekommer pga. forskellige antal neutroner i atomets kerne. Der er primært to fysiske årsager til isotopskift: 1) Atomkernens masse er forskellig for de forskellige isotoper. Det leder til det såkaldte masseskift. 2) Den positive ladningsfordeling i atomets kerne er afhængig af antallet af neutroner, hvilket leder til det såkaldte feltskift.

 

Ladningsfordelingen i atomets kerne er svær at måle præcis, men ved at måle isotopskiftet af to forskellige elektroniske overgange kan man lave et såkaldt King-plot, der relatere disse to isotopskift til hinanden. I den tilhørende teoretiske King-relation falder ladningsfordelingen bort. Hvis man således måler masserne af de forskellige isotoper præcist, kan man lave et fit til datapunkterne som til første orden bør være lineært. Findes der vekselvirkninger mellem elektronerne og neutronerne medieret af mørkt stof vil det dog kunne lede til en afvigelse fra en lineær sammenhæng. Det er et estimat af en sådan afvigelse til et King-plot for Ca+ ionen, som har tilladt forskerteamet ledet af prof. Michael Drewsen på IFA at sætte bånd på vekselvirkninger med potentielt mørkt stof i form af en bestemt type bosoner. 

Institut for Fysik og Astronomi, Medarbejdere, Offentligheden / Pressen, Studerende