Hon står vid sin whiteboardtavla i det lilla arbetsrummet på Fysicum. Med pennans hjälp försöker Ruth Pöttgen ge en bild av det osynliga. Eller rättare sagt en bild av hur man ska lyckas mäta existensen av detta osynliga – den mörka materian i rymden. Som partikelfysiker jobbar hon med universums allra minsta byggstenar, det vill säga elektronerna och de kvarkar som bygger upp atomernas kärnor.
– Det är häftigt att vi faktiskt måste förstå de allra minsta partiklarna för att förstå hur hela universum fungerar, säger hon.
Enligt vetenskapen finns det ungefär fem gånger så mycket mörk materia som synlig materia. Den mörka materian har en massa, alltså att den väger något, och det påverkar gravitationen i rymden. Det är på så sätt som forskarna har räknat ut att den mörka materian måste existera. Det finns helt enkelt för lite vanlig materia för att gravitationens ekvationer ska stämma.
Finns det alltså mörk materia här inne i ditt arbetsrum just nu?
– Ja! Vi kan däremot inte veta hur mycket vid en precis tidpunkt, men man kan räkna ut ett genomsnitt, säger Ruth Pöttgen.
Finns det möjligtvis även fem gånger så mycket av mig och min kropp i form av mörk materia?
– Nej! svarar Ruth Pöttgen med ett leende.
Hon förklarar att den så kallade växelverkan mellan partiklar av mörk materia och partiklar av vanlig materia är alltför svag. Det innebär att de båda typerna av materia nästan inte alls interagerar med varandra på så liten rumslig skala som på partikelnivå. Däremot inverkar de på varandra via gravitationens krafter om man betraktar tillvaron i en större skala, på kosmisk nivå.
Ruth Pöttgen konstaterar att vi och vår planet flyger genom en soppa av mörk materia-partiklar när vårt solsystem färdas genom galaxen. Den mörka materian finns utspridd i hela universum. Denna gäckande materia har dock inte förmåga att avge ljus och bli synlig för oss. Inte heller har den någon yta som man skulle kunna kollidera mot, utan tvärtom kan den passera rakt igenom vanlig materia.
Försöker hitta ledtrådar
Ruth Pöttgen berättar att det pågår ett stort antal experiment på olika håll i världen där man försöker hitta ledtrådar till vad mörk materia är. Både astronomer och partikelfysiker är engagerade.
– Vi försöker ta reda på vad för slags partiklar det är, säger hon.
Eftersom det finns olika teorier om den mörka materians beskaffenhet så finns det också behov av olika sorters experiment. Ingen vet exempelvis hur mycket en mörk materia-partikel väger. En del forskare utgår därför från teorin att den mörka materians byggstenar har en högre massa, inom ett visst spann, medan andra istället riggar experiment som ger möjlighet att leta efter mörk materia-partiklar med lägre massa.
Ny möjlighet
Forskare vid Lunds universitet är sedan många år aktiva i jakten på mörk materia, bland annat vid den internationella forskningsanläggningen CERN. Men nu har det även öppnat sig en möjlighet att delta i ett kommande och unikt experiment, kallat LDMX, i USA. Det är nio amerikanska lärosäten samt Lunds universitet som deltar.
– Det finns inget annat experiment i världen som kan göra samma mätningar som LDMX, säger Ruth Pöttgen.
Lundaforskarna har fått en viktig roll i samarbetet mellan de inblandade lärosätena. Det handlar bland annat om insatser för att kunna utläsa data från en del av detektorn dit elektronstrålen riktas.
– Vi har ansvar för att utveckla och testa elektronik och mjukvara som kan göra simuleringar och beräkningar, säger Ruth Pöttgen.
Hon förklarar att experimentet har sin unikt höga känslighet av två skäl. För det första handlar det om själva elektronstrålens kapacitet. Forskarna ska försöka skapa mörk materia med hjälp av en elektronstråle som kan skjuta iväg extrema mängder elektroner. Samtidigt måste dessa partiklar utportioneras med enbart några få åt gången. Forskarna kan nämligen inte arbeta med mer än en handfull elektroner i taget, men behöver upprepa detta ofantligt många gånger utan att experimentet ska behöva köras i tiotals år.
Mäter elektroners egenskaper
Det andra skälet till att LDMX har en intressant potential i jakten på mörk materia är att man kommer att kunna mäta förändringar i både energi och rörelsemängd hos de inblandade elektronerna. Om man ska lyckas bevisa existensen av mörk materia i experimentet är det nämligen via mätningar av just elektronernas energiförlust och förändrade rörelsemängd.
Den mörka materian i sig kommer man alltså inte att kunna mäta, utan enbart dess effekter på de synliga elektronerna. Det blir, lite paradoxalt sagt, som att jaga efter själva skuggan av det osynliga. En utmaning som dock låter sig gestaltas via en pennas högst konkreta streck, på en högst synlig whiteboardtavla, i ett litet arbetsrum på Fysicum.
