Under 1.400 meter klippe, dybt nede i bjergmassivet Gran Sasso midt i Italien, har fysikere placeret en meterstor termokande med 3,3 ton iskold, flydende xenon midt i en vandtank, der er 10 meter høj og 9,6 meter i diameter.
Den underjordiske installation er en detektor, der skal fange spor efter mørkt stof. Dette mystiske stof, som vi ikke kan se, men som astronomerne er sikre på findes i rigelige mængder i universet, er uhyre vanskeligt at spore, men med den nye detektor - den suverænt mest følsomme i verden - burde det kunne lade sig gøre.
Fysikerne har netop indviet detektoren, der kaldes Xenon1T. Den efterfølger Xenon10 og Xenon100 - for hver generation er detektoren blevet 10 gange mere følsom.
Masser af mørkt stof derude
Det mørke stof påvirker almindeligt stof gennem tyngdekraften, og astronomerne kan se, at der må være masser af det - faktisk viser astronomiske observationer og beregninger, at der i universet er cirka 5,5 gange så meget mørkt stof som almindeligt, velkendt stof.
»Vi ved, hvor meget mørkt stof, der er i universet, og vi har også en god forståelse for, hvor meget mørkt stof der må være tæt på os her i vores galaktiske nabolag,« fortæller Steen H. Hansen, der er lektor på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, hvor han forsker i mørkt stof.
»Men vi ved endnu ikke, hvad det mørke stof egentlig er - hvad det er for partikler.«
Problemet med det mørke stof er, at vi ikke kan se det i teleskopet, for det udsender ikke nogen form for elektromagnetisk stråling, heller ikke lys - deraf navnet. Faktisk vekselvirker det næsten ikke med det almindelige, velkendte stof, og derfor er det mørke stof uhyre svært at indfange og blive klog på.
Lysglimt røber kollisioner
Fysikerne har dog nogle teorier for, hvad det mørke stof kan være. Den mest populære teori siger, at det mørke stof består af forholdsvis tunge elementarpartikler - såkaldte WIMPs (weakly interacting massive particles). Hvis det er tilfældet, vil der findes WIMPs overalt omkring os, og faktisk må der fare mange af dem lige igennem os hvert eneste sekund.
\ Fakta
120 forskere fra 24 forskellige lande arbejder på eksperimentet, der har deltagere fra 21 universiteter i USA, Italien, Tyskland, Schweiz, Portugal, Frankrig, Holland, Israel, Forenede Arabiske Emirater og Sverige. Danske neutrinoforskere havde desværre ikke ressourcer til at deltage i dette eksperiment.
En sjælden gang imellem burde der ske en kollision mellem en WIMP og et almindeligt atom. Det er netop sådanne kollisioner, forskerne håber på at kunne se sporene efter i Xenon1T.
Ædelgassen xenon er blandt de stoffer, der lyser op, når de rammes af andre partikler, så ideen er at samle en masse xenon og kigge efter lysglimt, der røber, at et xenon-atom er blevet ramt af en mørkt stof-partikel.
I gasform fylder xenon godt op, så det er smartere at have grundstoffet i flydende form. Derfor bliver xenonen kølet ned til cirka minus 100 grader celsius, hvor det er flydende i den dobbeltvæggede stålbeholder, der holder på det.
248 ekstremt følsomme lysdetektorer er så klar til at måle de små lysglimt, der måtte komme fra xenonatomer, der bliver ramt af mørkt stof.
Støj skal sorteres fra
Det lyder simpelt nok, men problemet er, at kosmisk stråling eller naturlig radioaktivitet fra omgivelserne kan give lignende signaler.
Det er derfor, eksperimentet finder sted dybt inde i et bjerg, der beskytter mod baggrundsstrålingen. Og derfor er beholderen med xenon omgivet af rent vand til alle sider i håbet om, at vandet bremser størstedelen af den naturlige stråling. Mørkt stof trænger nemt igennem alting, så det er stort set kun mørkt stof, der kan komme helt ind til det flydende xenon.
Selvom detektoren nu er indviet, bliver den først rigtigt taget i drift til næste år, hvor de første videnskabelige resultater kan tænkes at dukke op. Med lidt held vil den første mørkt stof-partikel hurtigt dukke op.
»Hvis mørkt stof er den slags WIMPs, fysikerne forestiller sig, så burde Xenon1T kunne detektere dem,« siger Steen H. Hansen og fortsætter:
»WIMPs er dog et lidt bredt begreb, der dækker alle slags svagt vekselvirkende, massive partikler. Hvis mørkt stof-partikler vejer for meget eller vekselvirker endnu svagere, end fysikerne forestiller sig, så kan detektoren ikke måle dem. Men langt de fleste af modellerne - nok 90 procent af dem - forudsiger WIMPs, som Xenon1T bør kunne måle.«
Et nulresultat kan også bruges
Hvis der ikke dukker mørkt stof op i Xenon1T, kan fysikerne afvise en stor del af teorierne om, hvad mørkt stof er for en størrelse. Det vil så til gengæld give vind i sejlene for andre teorier for, hvilken slags partikler, det mørke stof må bestå af, fortæller Steen H. Hansen:
»Alle mulige grupper rundt omkring på universiteterne har deres egne kæpheste. Partikler kaldet sterile neutrinoer eller axioner, forskellige former for sammensatte partikler - alt muligt.«
»De fleste af disse partikler vekselvirker alt for svagt med almindeligt stof til, at det kan måles direkte. De vejer for lidt og afsætter for lidt energi i et sammenstød. Så hvis det mørke stof ikke er WIMPs, så har man kun de astronomiske observationer at understøtte sine teorier med.«
WIMPs er uhyre vanskelige at indfange, men alternativerne er altså endnu sværere at have med at gøre. WIMPs er dog stadig favoritten hos de fleste fysikere, som altså regner med, at der nok skal dukke signaler op i Xenon1T. Hvis det ikke sker, er de klar med planer om endnu mere følsomme detektorer.
Det tog under en måned at konstruere den store vandtank.
