Det intensiva, världsomspännande sökandet efter mörk materia, den saknade massan i universum, har hittills misslyckats med att hitta ett överflöd av mörka, massiva stjärnor eller mängder av konstiga, nya, svagt interagerande partiklar, men en ny kandidat vinner långsamt anhängare och observationsstöd.

Som kallas SIMPs – starkt interagerande massiva partiklar – föreslogs de för tre år sedan av den teoretiske fysikern Hitoshi Murayama från University of California, Berkeley, professor i fysik och föreståndare för Kavli-institutet för universums fysik och matematik (Kavli IPMU) i Japan, och den före detta postdoktorn vid UC Berkeley, Yonit Hochberg, som nu är verksam vid Hebrew University i Israel.

Murayama säger att nyligen gjorda observationer av en närliggande galaktisk kollision kan vara ett bevis för att det finns SIMP:er, och han räknar med att framtida partikelfysikexperiment kommer att upptäcka en av dem.

Murayama diskuterade sina senaste teoretiska idéer om SIMP:er och hur de kolliderande galaxerna stödjer teorin i ett inbjuden föredrag dec. 4 vid 29th Texas Symposium on Relativistic Astrophysics i Kapstaden, Sydafrika.

Astronomer har beräknat att mörk materia, även om den är osynlig, utgör cirka 85 procent av universums massa. Det solidaste beviset för dess existens är stjärnornas rörelse i galaxer: Utan en osynlig klump mörk materia skulle galaxerna flyga isär. I vissa galaxer är de synliga stjärnorna så sällsynta att den mörka materian utgör 99,9 procent av galaxens massa.

Teoretiker trodde först att denna osynliga materia bara var vanlig materia som var för svag för att ses: misslyckade stjärnor som kallas bruna dvärgar, utbrända stjärnor eller svarta hål. Men så kallade massiva kompakta halo-objekt – MACHOs – har inte upptäckts, och tidigare i år har en undersökning av Andromedagalaxen med Subaru-teleskopet i princip uteslutit att det finns någon betydande oupptäckt population av svarta hål. Forskarna sökte efter svarta hål som är kvar från det mycket tidiga universum, så kallade primordiala svarta hål, genom att leta efter plötsliga upplyftningar som uppstår när de passerar framför bakgrundsstjärnor och fungerar som en svag lins. De hittade exakt ett – för få för att bidra nämnvärt till galaxens massa.

”Den studien eliminerade i stort sett möjligheten av MACHOs; jag skulle säga att den är i stort sett borta”, sade Murayama.

WIMP:s – svagt interagerande massiva partiklar – har inte klarat sig bättre, trots att de stått i fokus för forskarnas uppmärksamhet i flera decennier. De ska vara relativt stora – ungefär 100 gånger tyngre än protonen – och interagera så sällan med varandra att de kallas ”svagt” interagerande. Man trodde att de interagerar oftare med normal materia genom gravitationen och hjälper till att dra till sig normal materia i klumpar som växer till galaxer och så småningom ger upphov till stjärnor.

SIMP:er interagerar med sig själva, men inte med andra

SIMP:er, som WIMP:er och MACHO:er, skulle teoretiskt sett ha producerats i stora mängder tidigt i universums historia och sedan dess ha svalnat till den kosmiska medeltemperaturen. Men till skillnad från WIMP:s teoretiseras SIMP:s interagera starkt med sig själva via gravitationen men mycket svagt med normal materia. En möjlighet som Murayama föreslår är att en SIMP är en ny kombination av kvarkar, som är de grundläggande komponenterna i partiklar som proton och neutron, som kallas baryoner. Medan protoner och neutroner består av tre kvarkar, skulle en SIMP mer likna en pion genom att bara innehålla två: en kvark och en antikvark.

SIMP skulle vara mindre än en WIMP, med en storlek eller ett tvärsnitt som liknar en atomkärna, vilket innebär att det finns fler av dem än vad det skulle finnas WIMP. Ett större antal skulle innebära att de, trots deras svaga växelverkan med normal materia – främst genom att de sprids från den, i motsats till att smälta samman med eller sönderfalla i normal materia – ändå skulle lämna ett fingeravtryck på normal materia, sade Murayama.

Han ser ett sådant fingeravtryck i fyra kolliderande galaxer inom Abell 3827-klustret, där den mörka materian överraskande nog tycks släpa efter den synliga materian. Detta skulle kunna förklaras, sade han, av interaktioner mellan den mörka materian i varje galax som bromsar sammansmältningen av mörk materia men inte av normal materia, i princip stjärnor.

”Ett sätt att förstå varför den mörka materian släpar efter den ljusa materian är att de mörka materiepartiklarna faktiskt har en ändlig storlek, de sprids mot varandra, så när de vill röra sig mot resten av systemet blir de tillbakapressade”, sade Murayama. ”Detta skulle förklara observationen. Det är den typen av saker som förutsägs av min teori om att mörk materia är ett bundet tillstånd av en ny typ av kvarkar.”

SIMPs övervinner också en stor brist i WIMP-teorin: förmågan att förklara fördelningen av mörk materia i små galaxer.

”Det har funnits den här långvariga gåtan: Om man tittar på dvärggalaxer, som är mycket små och har ganska få stjärnor, så domineras de verkligen av mörk materia. Och om man går igenom numeriska simuleringar av hur mörk materia klumpar ihop sig, förutsäger de alltid att det finns en enorm koncentration mot centrum. En kudde”, säger Murayama. ”Men observationer verkar tyda på att koncentrationen är plattare: en kärna i stället för en spets. Problemet med kärna/kusp har betraktats som ett av de största problemen med mörk materia som inte interagerar på annat sätt än genom gravitation. Men om mörk materia har en ändlig storlek, som en SIMP, kan partiklarna göra ”klirr” och sprida sig själva, och det skulle faktiskt platta ut massprofilen mot centrum. Det är ytterligare ett ”bevis” för den här typen av teoretisk idé.”

Pågående sökningar efter WIMPs och axioner

Bredbaserade experiment för att leta efter SIMP:er planeras, främst vid acceleratorer som Large Hadron Collider vid CERN i Geneve, där fysiker alltid letar efter okända partiklar som passar in i nya förutsägelser. Ett annat experiment vid den planerade International Linear Collider i Japan skulle också kunna användas för att leta efter SIMP:er.

Samt när Murayama och hans kollegor finslipar teorin om SIMP:er och letar efter sätt att hitta dem, fortsätter sökandet efter WIMP:er. Experimentet för mörk materia Large Underground Xenon (LUX) i en underjordisk gruva i South Dakota har satt stränga gränser för hur en WIMP kan se ut, och ett uppgraderat experiment kallat LZ kommer att tänja på dessa gränser ytterligare. Daniel McKinsey, professor i fysik vid UC Berkeley, är en av medtalarna för detta experiment och har ett nära samarbete med Lawrence Berkeley National Laboratory, där Murayama är en senior forskare vid fakulteten.

Fysikerna söker också efter andra kandidater för mörk materia som inte är WIMP. Fakulteten vid UC Berkeley är involverad i två experiment som letar efter en hypotetisk partikel som kallas axion och som kan uppfylla kraven för mörk materia. Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), som leds av Dmitry Budker, professor emeritus i fysik som nu arbetar vid universitetet i Mainz i Tyskland, och teoretikern Surjeet Rajendran, professor i fysik vid UC Berkeley, planerar att leta efter störningar i kärnspinnet som orsakas av ett axionfält. Karl van Bibber, professor i kärnteknik, spelar en nyckelroll i Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), som syftar till att upptäcka axioner i en mikrovågshålighet inom ett starkt magnetfält när de omvandlas till fotoner.

”Självklart ska vi inte sluta leta efter WIMP:er”, sade Murayama, ”men de experimentella gränserna börjar bli riktigt, riktigt viktiga. När man väl kommer till mätningsnivån, där vi kommer att befinna oss inom en nära framtid, slutar till och med neutriner med att bli bakgrunden till experimentet, vilket är ofattbart.”

Neutriner interagerar så sällan med normal materia att uppskattningsvis 100 biljoner flyger genom våra kroppar varje sekund utan att vi märker det, något som gör dem extremt svåra att upptäcka.

”Samförståndet inom samhället är typiskt sett, att vi inte vet hur långt vi behöver gå, men att vi åtminstone måste komma ner till den här nivån”, tillade han. ”Men eftersom det definitivt inte finns några tecken på att WIMPs dyker upp börjar folk tänka bredare nu för tiden. Låt oss stanna upp och tänka på det igen.”