Wallenberg Academy Fellows

I frontlinjen för forskning om mörk materia

Vad mörk materia består av är ett av fysikens stora olösta problem. Idag tror forskarna att de står inför ett genombrott. I frontlinjen för denna spännande utveckling finns Wallenberg Academy Fellow Jan Conrad.

Jan Conrad är en av dessa människor som valde karriär, eller åtminstone var sin framtida karriär på spåret, redan som barn. När han var tio år skrev han ett brev till den tyske fysikern Harald Fritzsch som jobbade tillsammans med nobelpristagaren Murray Gell-Mann. I brevet skrev han att han tyckte Harald Fritzsch höll på med spännande saker och undrade om han kunde skicka några referenser.

– Han svarade med ett handskrivet brev och det brevet hade jag upphängt i mitt pojkrum under hela min uppväxt. Jag var nog lite lillgammal och nördig. Många böcker jag läste låg egentligen långt över min förståelse, men det var en identitet jag ville åt. Jag ville vara en person som jobbade med teoretisk eller experimentell partikelfysik, de svåraste sakerna.

På den vägen har det fortsatt. Lockad av ”de svåraste sakerna” valde Jan Conrad att läsa fysik på universitetet i Hamburg. I mitten av 1990-talet kom han som utbytesstudent till Uppsala universitet där han också blev kvar och doktorerade på neutriner 2003. Sedan följde ett par år vid partikelfysiklaboratoriet CERN i Genève, Schweiz, innan han återvände till Sverige. Idag är han sedan flera år verksam vid Albanova Universitetscentrum, Stockholms universitet.

Han beskriver sig själv som en klassisk forskare vars hela tankeverksamhet upptas av den forskning han håller på med. Han säger också att han är väldigt rastlös och aldrig nöjd.

– Edward Teller, känd som vätebombens fader, sa en gång att det finns två typer av forskare, nämligen ”drillers” och ”diggers”. Drillers är forskare som fastnar för ett problem och borrar sig allt djupare in i det. Diggers är sådana som hoppar mellan olika problem, infallsvinklar och projekt. Jag är nog mer en digger, men innan jag lämnar ett projekt så måste jag känna att jag har uppnått vissa resultat.

WIMP:ar är huvudspåret

Som Wallenberg Academy Fellow jobbar Jan Conrad med mörk materia. Idag vet forskarna att vanlig materia, det vill säga materia som avger eller reflekterar elektromagnetisk strålning, bara utgör 5 procent av universum. Resten utgörs av mörk materia, 23 procent, och mörk energi, 72 procent.

"Det betyder väldigt mycket eftersom Wallenbergs anslag är väldigt flexibla. Det ger en otrolig frihet att sätta in resurser där de behövs som bäst. Sen är det förstås ett erkännande för det jag har åstadkommit. Genom att Wallenberg delfinansierat FERMI-teleskopet och HESS-teleskopet är stiftelsens deltagande och finansiering i den här forskningen också mycket större än bara det här med Wallenberg Academy Fellow."

Man vet också att det är den mörka materian och den mörka energin som ger universum dess struktur med stjärnor och andra himlakroppar samlade i galaxer och galaxkluster. Däremot vet man inte vad den mörka materian består av. Det är fortfarande ett av fysikens stora olösta problem, och som sådant naturligtvis ett oemotståndligt vetenskapligt område för en person som Jan Conrad.

Det finns många kandidater för vad den mörka materian kan vara för något, men huvudspåret idag är att det är ett slags partiklar som kallas WIMP:ar, Weakly Interactive Massive Particles. Dessa partiklar har en massa som är större än en protons, de rör sig förhållandevis långsamt och växelverkar svagt med andra partiklar. Astrofysiker tror att WIMP:ar har funnits sedan universums barndom, men ännu har ingen lyckats påvisa dem.

– Nu har vi en konkret hypotes, ett huvudspår i vårt sökande efter mörk materia, som dessutom är extremt välmotiverad. Många förväntar sig också att vi snart, inom 5–10 år, kommer att hitta WIMP:ar. Det är därför det är så spännande.

Det finns tre olika sätt att upptäcka WIMP:ar. För det första kan man producera och eventuellt spåra dem i partikelfysiklaboratoriet CERN. För det andra kan man leta efter indirekta spår i form av gammastrålning och andra partiklar som skapas när WIMP:ar klumpar ihop sig i rymden, kolliderar med varandra och förintas. Det är den metoden som är Jan Conrad och hans kollegors huvudverksamhet.

– Sedan finns det också en tredje väg, direkt-detektion, och det är något vi håller på att starta upp. Metoden går ut på att man placerar känsliga detektorer långt ner under marken, i vanliga fall i gamla gruvor, och så väntar man på att en WIMP ska komma förbi och krocka med en atom i detektorn. Sedan mäter man rekylen av denna krock. På så sätt kan vi få dubbla bevis för WIMP:ars existens.

Sverige i frontlinjen

En annan sak som gör Jan Conrads forskning särskilt spännande är att Sverige har hamnat i den absoluta frontlinjen för forskning om mörk materia. En anledning till detta är naturligtvis duktiga forskare i kreativa miljöer. En annan anledning är tillgång till data från de delvis Wallenbergfinansierade teleskopen FERMI, som sitter på en satellit, och HESS, som är markbaserat i Namibia.

– Vi har börjat inse att det är fullt möjligt att det faktiskt kan vara vi här i Stockholm som gör upptäckten av WIMP:ar. I det här fallet är vi inte bara en liten kugge i ett stort maskineri som hjälper till på något hörn att göra upptäckten, utan det kan faktiskt hända här. Det är ju jättekul och en otrolig drivkraft.

Största utmaningen?

– Det är att förbättra experimentens och detektorernas känslighet. Vid indirekt detektion måste man kunna se väldigt få fotoner från WIMP-förintelser och kunna skilja dem från de mångdubbelt fler fotoner som andra källor producerar.

Text Anders Esselin
Foto Magnus Bergström