Något okänt krockade med en atomkärna i en tank fylld av sju ton ädelgas 1,5 kilometer under jordytan på kvällen den 16 juni 2023.
Forskarna vid experimentet Lux-Zeplin i USA har nu, tre år senare, analyserat sina data mycket noga för att kunna utesluta att partikeln som orsakade kollisionen är något vi känner till sedan tidigare. När de presenterade resultatet på astropartikelfysikkonferensen Tevpa 2026 i Japan den 1 september blev uppståndelsen stor. Detta skulle kunna vara vår allra första glimt av den gåtfulla mörka materien.
Under de veckor som gått sedan dess har fysiker lagt ur fler än 70 artiklar på databasen Arxiv med möjliga teoretiska tolkningar och förklaringar.
– Det är det största gensvaret jag kan minnas för en signal för mörk materia. Det är sällsynt att få så stor respons från forskarvärlden så snabbt, säger Tim Linden, teoretisk fysiker vid Stockholms universitet.
Att universum måste innehålla mycket mer än den materia vi känner till upptäckte schweizaren Fritz Zwicky och svensken Knut Lundmark redan på 1930-talet när de studerade fjärran galaxer och galaxhopar. 40 år senare såg den amerikanska astronomen Vera Rubin samma sak när hon mätte hur spiralgalaxer, som vår egen Vintergatan, roterar. Det behövs flera gånger mer materia än den vi kan se för att galaxerna ska kunna hålla ihop och röra sig som de gör.
Stjärnor och planeter är uppbyggd av atomer precis som vi själva. Men materia av atomer är bara ungefär 15 procent av massan i universum. Det vi kallar för mörk materia är de övriga 85 procenten. Den finns överallt. Men vi kan inte se den, och vi vet inte vad den är.
Fysiker har haft många olika teorier om vad den mörka materian består av. Den hetaste kandidaten i dag kallas wimp, weak interacting massive particles, eller tunga elementarpartiklar som känner av den så kallade svaga kraften.
Om hypotesen stämmer genomsköljs vi varje sekund av miljarder wimpar. Men bara ungefär en gång i månaden kommer någon av dem att kollidera med en atom i vår kropp, eftersom den svaga kraften är så svag och har så kort räckvidd.
– Wimpar är en stark kandidat. De underliggande fysikaliska mekanismerna kan förklara att det finns ungefär sex gånger så mycket mörk materia som vanlig materia i universum, säger Tim Linden.
Eftersom wimpar och vanlig materia så sällan känner av varandra krävs det mycket känsliga mätinstrument för att kunna hitta dem. Lux-Zeplin är en tank fylld av ädelgasen xenon i en gammal guldgruva i South Dakota.
– Vi anstränger oss mycket för att stänga ute brus och falska signaler. Vi arbetar en och en halv kilometer under jord för att slippa vanlig kosmisk strålning, säger Richard Gaitskell, professor i fysik vid Brown University i Rhode Island i USA och talesperson för Lux-Zeplin.
Kosmisk strålning är partiklar från solen och andra himlakroppar.
– Vi träffas av kosmisk strålning många gånger i sekunden. Den gör jordytan full av brus. Men på en och en halv kilometers djup minskar den kosmiska strålningen med mer än en miljon gånger, säger Richard Gaitskell.
Alla material i och runt detektorn måste också vara mycket rena och ha mycket låg radioaktivitet.
– Folk brukar bli förvånade när de får veta att det sker över 5 000 radioaktiva sönderfall i en vanlig människa varje sekund. Och de sänder ut strålning. Så om du eller jag står bredvid detektorn med 5 000 gammastrålar strömmande ut från kroppen varje sekund skulle vi göra detektorn helt oanvändbar.
Därför är detektorn också omgiven av flera lager av tankar med vatten och andra ämnen som skärmar av och stänger ute vanliga partiklar som skapa brussignaler i experimentet.
Det möjliga genombrottet kom när Lux-Zeplin-forskarna gick igenom data som detektorn samlat in under 220 dagar, och letade efter wimp-signaler med lite andra energier än de sökt efter tidigare.
– Sannolikheten för att detta skulle vara radioaktivt bakgrundsbrus är ungefär en på 200. De flesta ser nog odds på mindre än en på hundra som något extremt osannolikt. Men som fysiker måste vi vara väldigt konservativa. Så än så länge är det precis på gränsen. När man gör många fysikexperiment kan även mycket ovanliga händelser inträffa då och då, säger Richard Gaitskell.
I Gran Sasso-laboratoriet nordöst om Rom i Italien finns en liknande detektor: Xenon-experimentet. Där arbetar Jan Conrad, professor i astropartikelfysik vid Stockholm universitet. Han tycker att resultaten är intressanta.
– De har gjort ett gediget arbete, säger han.
Det händer då och då att det dyker upp signaler som skulle kunna vara nya, okända partiklar.
– Ofta uppstår de här anomalierna precis vid gränsen för vad detektorn förmår att mäta, till exempel vid mycket låga energier, där saker är svåra att förstå. Men det här ligger i ett område där våra detektorer är väldigt effektiva.
Energiområdet där signalen finns är oväntat för de flesta modeller för hur mörk materia fungerar.
– Men detta är förväntat i en modell med en så kallad Higgsino. Modellen gör mycket specifika förutsägelser. Hittills har vi inte haft tillräckligt känsliga detektorer för att kunna upptäcka dem, säger Tim Linden.
Enligt Tim Linden är det möjligt att dra en del slutsatser trots att fysikerna ännu bara har sett en enskild signal.
– Om jag får se en lila elefant så vet jag att lila elefanter existerar, trots att jag bara har sett en enda, säger han.
Men sedan måste man förstås undersöka händelsen noga.
– Man får fundera över om det var en optisk effekt, om det var något märkligt med himlen den dagen, eller om några ungdomar hade varit ute med lila sprayfärg kvällen innan. Det blir svårare att analysera de okända omständigheterna när man bara har en enda händelse att utgå ifrån, säger Tim Linden.
Fysikerna vid Lux-Zeplin och Xenon har stora mängder insamlade data att gå igenom i jakt på liknande händelser.
– Vi har ungefär dubbelt så mycket data som Lux-Zeplin presenterade som vi nu ska analysera, säger Jan Conrad.
Det gäller troligen även detektorn Pandax i Sichuan i Kina.
Finns där fler händelser som stämmer med Higgsino-modellens förutsägelser kan gåtan med den mörka materien kanske äntligen vara löst. En möjlig kandidat till Nobelpriset i fysik skulle då vara Xenons talesperson Elena Aprile.
– Hon är pionjären och mamman till hela det här fältet. Och det är hennes gamla studenter som har byggt upp de konkurrerande experimenten, säger Jan Conrad.
Richard Gaitskell har ägnat hela sin karriär åt sökandet efter mörk materia. Även om den nya signalen skulle visa sig vara felaktig har vi ändå lärt oss mer om universum, menar han.
– 95 procent av all forskning ger negativa resultat, eftersom vi ofta ställer frågor där vi helt enkelt inte vet svaret. Att göra vetenskapliga framsteg är att inse att vi ofta bara utesluter något, eller får ett resultat som inte är entydigt. Så ser forskning till största delen ut.
Läs mer:
1 400 meter under marken försöker forskarna fånga mörk materia
