Fermiresultat ger ledtrådar i jakten på mörk materia

Astrofysikaliska och kosmologiska observationer tyder på att ungefär 25 % av den totala energin i universum består av mörk materia, medan den “vanliga” materian enbart utgör cirka 3 %. Vad den mörka materian är, är dock höljt i dunkel, eftersom detektion av mörk materia försvåras av dess väldigt svaga växelverkan med vanlig materia.

Fermi-satelliten

Figur 1: Fermi-satelliten syns i raketens inre, strax innan uppskjutningen den 11 juni 2008.
Figur 1: Fermi-satelliten syns i raketens inre, strax innan uppskjutningen den 11 juni 2008.
De flesta teorierna förutspår att de partiklar som utgör den mörka materian bör ha en massa mellan cirka hundra till några tusen gånger massan av en proton (1 GeV/c2). En möjlig metod att detektera mörk materia-partiklar är att leta efter vanliga partiklar som uppkommer när två mörk materia-partiklar krockar med varandra och annihileras. Fermi är egentligen byggd för att mäta och kartlägga himlen i gammastrålning, men mätningar av elektroner (som kan göras som ett spin-off) har fått väldigt stor betydelse, eftersom tidigare experiment pekar på att mörk materia skulle kunna bidra till elektronstrålningen.
Tidigare resultat presenterades i år av satellitexperimentet PAMELA, som mätte förhållandet mellan positroner och elektroner och hittade en ökning av andelen positroner som är oväntad om man enbart tar hänsyn till de positroner som bör produceras på “vanligt” vis, dvs genom att kosmisk strålning krockar med gasen i vår galax Vintergatan och producerar nya partiklar.

Dessutom presenterade ballongexperimentet ATIC mätningar av elektroner och positroner (sammantaget – eftersom ATIC till skillnad från PAMELA ej kan skilja elektroner från positroner), som visar en klar topp vid en energi på ca. 620 GeV/c2, som i stort sett är omöjlig att förklara med vanliga processer. ATIC publicerade sina resultat den 20 November 2008 och PAMELA den 2 April 2009 i den ansedda tidskriften Nature. Bägge dessa två anomalier kan förklaras om man antar att överskottet beror på annihilering av mörk materia-partiklar, även om astrofysikaliska källor (som snabbt roterande neutronstjärnor, så kallade “pulsarer”) ej kan uteslutas.

Fermi kan inte heller skilja mellan elektroner och positroner, men kan testa ATICs resultat med uppemot 40 gånger större känslighet, dvs med betydligt större statistisk noggrannhet. Denna mätning är svår att genomföra: andra partiklar (protoner framförallt), som är ca. 10 000 gånger vanligare, måste urskiljas. Fermi använder sig därför av modern detektorteknologi baserad på kisel och scintillerande kristaller och mycket tid har spenderats för att kombinera detektorinformation på ett optimalt sätt (se Abdo et al. http://arxiv.org/abs/0905.0025, Phys. Rev. Lett 112(2009)181101) och news and views på Phys. Rev. Letters hemsida för fler detaljer).

De nya mätningarna från Fermi.

Figur 2: Röda punkter representerar Fermis mätningar, med statistiska felstaplar och systematiska fel som ett grått band. Tidigare resultat visas också. Den blå streckade linjen är det som förväntas av växelverkan mellan kosmisk strålning och gasen i Vintergatan (baserat på data som mättes innan Fermis resultat).
Figur 2: Röda punkter representerar Fermis mätningar, med statistiska felstaplar och systematiska fel som ett grått band. Tidigare resultat visas också. Den blå streckade linjen är det som förväntas av växelverkan mellan kosmisk strålning och gasen i Vintergatan (baserat på data som mättes innan Fermis resultat).
Fermi kan inte bekräfta överskottet som ATIC har presenterat tidigare (se figur 2). I nuläget är data konsistenta med ett enkelt spektrum utan några särskilda toppar. Spektrumet är dock något flatare än vad man hittills förväntat sig. Det finns dock vissa indikationer på att en avvikelse från ett enkelt spektrum syns, det vill säga det finns ändå en förhöjning, som dock är mindre utpräglad än vad man tidigare har trott. Detta skulle tyda på att det finns en närliggande källa av elektroner och positroner, möjligen baserad på mörk materia, vilket mycket enkelt skulle kunna förklara data från både Fermi och PAMELA.

Teoretiska modeller
Det finns modeller för detta som bygger på mörk materia och ger utmärkta anpassningar (se figur 3 för ett exempel).

Figur 3: En av modellerna (heldragen linje) för mörk materia (Dark Matter, DM) som ger en bra anpassning till Fermi-resultaten. Den gröna streckade linjen representerar en bakgrund här skalad med 0.85 för att ge bättre överensstämmelse med Fermi data , den lila streckade linjen är den beräknade signalen från mörka materian. Här antas en mörk materia partikel annihilera till myoner (som sedan sönderfaller till elektroner och positroner). Modellen ger även en hyfsad anpassning till PAMELA-data. Notera den logaritmiska skalan.
Figur 3: En av modellerna (heldragen linje) för mörk materia (Dark Matter, DM) som ger en bra anpassning till Fermi-resultaten. Den gröna streckade linjen representerar en bakgrund här skalad med 0.85 för att ge bättre överensstämmelse med Fermi data , den lila streckade linjen är den beräknade signalen från mörka materian. Här antas en mörk materia partikel annihilera till myoner (som sedan sönderfaller till elektroner och positroner). Modellen ger även en hyfsad anpassning till PAMELA-data. Notera den logaritmiska skalan.
Sådana modeller har till exempel presenterats av forskare från Fysikum (Lars Bergström, Joakim Edsjö och Gabrijela Zaharijas., http://arxiv.org/abs/0905.0333). Dessa modeller skulle dessutom ge upphov till tydliga signaturer i gammastrålning, som eventuellt kan vara mätbara för Fermi. Fysikum forskaren Jan Conrad leder det internationella teamet inom Fermi som fokuserar på letandet efter mörka materian och deltog i instrumentets kalibrering vid acceleratorcentret CERN i Genève. Man ska dock vara noga med att påpeka att även de nya Fermi resultaten kan förklaras med pulsarer – mer data behövs och bättre förståelse för instrumentella effekter krävs för att avgöra vad signalen består av.

Framtiden
Fermis analys bygger på enbart 6 månaders data. Fermi förväntas dock ha en livstid om minst 5, kanske 10 år – så noggrannheten kommer att bli ännu högre. Dessutom kan svaret ges av markbaserade Cherenkovteleskop som detekterar gammastrålning och elektroner/positroner vid energier som är ungefär 10 gånger högre än Fermis. Forskare vid fysikum (Lars BergstrFöm, Jan Conrad och postdoktorand Joachim Ripken) har precis blivit medlemmar i det mest känsliga av dessa instrument (HESS), som redan har bekräftat Fermis mätningar (se: http://arxiv.org/abs/0905.0105). Spännande tider väntar.

– Jan Conrad – Jan.Conrad@fysik.su.se

Share this post
  •  
  •  
  •  
  •  
  •