I en verdensnyhed indsnævrer fysikere den mulige masse af mørkt stof

Vi ved måske ikke hvad mørkt stof er, men forskerne har nu en bedre idé om, hvad de skal kigge efter.

Baseret på kvantetyngdekraften har fysikere udarbejdet nye, meget mere stringente øvre og nedre massegrænser for mørkt stofpartikler. Og de har fundet ud af, at masseområdet er langt snævrere end tidligere antaget.

Det betyder, at kandidaterne til mørkt stof, der enten er ekstremt lette eller tunge, næppe vil være svaret, baseret på vores nuværende forståelse af universet.

»Det er første gang, nogen har tænkt på at bruge det, vi ved om kvantetyngdekraften, som en måde at beregne masseområdet for mørkt stof på. Vi blev overraskede, da vi indså, at ingen havde gjort det før - det samme var de andre videnskabsmænd, der gennemgik vores papir,' sagde fysiker og astronom Xavier Calmet fra University of Sussex i Storbritannien.

'Det, vi har gjort, viser, at mørkt stof hverken kan være 'ultra-let' eller 'super-tungt', som nogle teoretiserer - medmindre der er en endnu ukendt yderligere kraft, der virker på det. Dette stykke forskning hjælper fysikere på to måder: det fokuserer søgeområdet efter mørkt stof, og det vil potentielt også hjælpe med at afsløre, hvorvidt der er en mystisk ukendt yderligere kraft i universet.'

Mørkt stof er unægtelig et af de største mysterier i universet, som vi kender det. Det er navnet, vi giver til en mystisk masse, der er ansvarlig for gravitationseffekter, som ikke kan forklares med de ting, vi kan opdage på andre måder - det normale stof som stjerner, støv og galakser.

For eksempel roterer galakser meget hurtigere, end de burde, hvis de blot blev gravitationsmæssigt påvirket af det normale stof i dem; gravitationslinser - rumtidens bøjning omkring massive objekter - er langt stærkere, end det burde være. Uanset hvad der skaber denne ekstra tyngdekraft er uden for vores evne til at opdage direkte.

Vi kender det kun ved den tyngdekraft, det har på andre objekter. Baseret på denne effekt ved vi, at der er meget af det derude. Rundt regnet 80 procent af alt stof i universet er mørkt stof. Det kaldes mørkt stof, fordi det er mørkt. Og også mystisk.

Vi ved dog, at mørkt stof interagerer med tyngdekraften, så Calmet og hans kollega, fysiker og astronom Folkert Kuipers fra University of Sussex, vendte sig mod kvantetyngdekraftens kvaliteter for at prøve at estimere masseområdet for en hypotetisk mørk stofpartikel ( hvad end det måtte være).

Kvantetyngdekraften, forklarer de, sætter en række grænser for, om mørkt stofpartikler af forskellige masser kan eksistere. Selvom vi ikke har en anstændig arbejdsteori, der forener generel relativitetsteori 's rumbøjende beskrivelse af tyngdekraften med kvantefysikkens diskrete chunkiness, ved vi, at enhver sammensmeltning af de to ville afspejle visse grundlæggende principper for begge. Som sådan ville mørkt stofpartikler skulle adlyde kvantegravitationsregler for, hvordan partikler nedbrydes eller interagerer.

Ved omhyggeligt at redegøre for alle disse grænser, var de i stand til at udelukke masseintervaller, der usandsynligt eksisterede under vores nuværende forståelse af fysik.

Baseret på den antagelse, at kun tyngdekraften kan interagere med mørkt stof, bestemte de, at partiklens masse skulle falde mellem 10^-3elektronvolt og 10⁷elektronvolt, afhængigt af partiklernes spins og arten af ​​interaktioner med mørkt stof.

Det er sindssygt mindre end de 10^-24elektronvolt til 10¹⁹gigaelectronvolt rækkevidde traditionelt tilskrevet, sagde forskerne. Og det er vigtigt, fordi det stort set udelukker nogle kandidater, såsom WIMP'er (svagt interagerende massive partikler).

Hvis sådanne kandidater senere viser sig at være synderen bag mysteriet om mørkt stof, ville det ifølge Calmet og Kuipers betyde, at de bliver påvirket af en kraft, vi endnu ikke kender til.

Det ville være rigtig fedt, fordi det ville pege på ny fysik - et nyt værktøj til at analysere og forstå vores univers.

Frem for alt giver holdets begrænsninger en ny ramme at overveje i søgningen efter mørkt stof, der hjælper med at indsnævre, hvor og hvordan man skal se ud.

'Som ph.d.-studerende er det fantastisk at kunne arbejde med forskning så spændende og virkningsfuld som denne,' sagde Kuipers . 'Vores resultater er meget gode nyheder for eksperimentelister, da det vil hjælpe dem med at komme tættere på at opdage den sande natur af mørkt stof.'

Forskningen er publiceret i Fysik bogstaver B .