Projektanslag

Söker rymdpartiklar i en grotta

Under Gran Sasso-massivet i Italien byggs en extremt känslig detektor som ska användas för att hitta mörk materia. Ett svenskt forskarlag lett av Jan Conrad deltar och bidrar med avancerade dataanalyser och ett ton av ädelgasen Xenon.

”Det är nu det gäller”, konstaterar Jan Conrad, professor i astropartikelfysik vid Stockholms universitet. Han forskar om mörk materia, som utgör cirka 23 procent av universums totala energi men som man inte vet särskilt mycket om. Snart, inom några år, hoppas han att bilden har klarnat betydligt.

Jan Conrad är nyss hemkommen från Gran Sasso-massivet i Apenninska bergskedjan i Italien. Där, i grottliknande valv som nås via en motorvägstunnel, pågår det spännande experiment. Forskare från hela världen försöker hitta nya sorters partiklar som kan förklara mysteriet mörk materia. Den mest lovande kandidaten kallas wimp, weakly interacting massive particle, eller svagt växelverkande massiva partiklar på svenska.

– Man tänker sig att wimp har producerats strax efter Big Bang. Sedan dess finns den bara. När vi räknar ut vilka egenskaper en sådan partikel måste ha visar det sig att den antagligen är ganska tung, kanske 100 gånger tyngre än väteatomen.

Krockar med xenon

Tidigare har Jan Conrad fokuserat på en så kallad indirekt metod, där spår av gammastrålning används för att försöka identifiera sönderfallande mörk materia-partiklar. Metoden som används i Gran Sasso-massivet är istället direkt.

– Det betyder att vi försöker se när en sådan här hypotetisk mörk materia-partikel krockar med ett material på jorden. Materialet är en ädelgas som heter xenon. Den har också en tung atomkärna och väger ungefär lika mycket som vi tror att wimp ska väga.

När två kroppar med likadan massa krockar får man den mest effektiva energiöverföringen mellan dem, förklarar Jan Conrad. Så om ”wimpen” krockar med xenonatomen kommer man få en maximal förflyttning, och det är den forskarna hoppas kunna se och mäta i sina xenon-detektorer.

Men för att kunna upptäcka den mycket svaga signalen från den mörka materian måste man först minska bakgrundsbruset från radioaktiva isotoper och kosmisk strålning. Det är skälet till att experimenten sker inne i berget.

– Vi måste få ner de andra partiklarna. Annars ger detektorn signal hela tiden, vi har ingen chans att se wimpen. I tunneln finns ingen kosmisk strålning men du har fortfarande en naturlig radioaktivitet som en rad forskargrupper nu försöker minska på olika sätt.

Bidrar med dataanalys

Detektorn använder nedkyld, flytande och ultraren xenon, en teknik som har utvecklats från liten skala de senaste 20 åren. Eldsjälen bakom det stora Xenon-projektet, som bygger världens känsligaste och största detektor i sitt slag, är en italiensk astrofysiker som heter Elena Aprile.

Med hjälp av anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse har Jan Conrad och hans medsökande kollegor nu hoppat på Xenon-projektet.

– Jag hoppas att vi kan bidra med en slags korsbefruktning, och tänker lite annorlunda mot vad de har gjort hittills. Stiftelsens satsning öppnar upp en helt ny forskningsgren i Sverige och om inte annat kommer det ut en generation experimentella fysiker som är extremt välutbildade. Det här är det ultimata fysikexperimentet.

– Vi har räknat fram hur de här signalerna ska se ut om det är mörk materia och är duktiga på avancerad dataanalys. Det finns planer på att bygga ett dataanalyscenter i Stockholm för att klara behovet av den datorkraft som krävs i beräkningarna.

Analysmetoderna som de utvecklar i projektet handlar bland annat om maskininlärning, ett kunskapsområde som befinner sig på gränsen mellan datavetenskap, artificiell intelligens och matematisk statistik.

– Ett väldigt hett område. Google, Facebook och likande företag använder sig av dessa metoder för att hitta samband i sina användarbaser. Vi har inom vårt område högenergifysik använt sådana artificiella neurala nät i många år just för att skilja på signal och kosmisk bakgrund.

Snart händer det

Experimenten i Gran Sasso-valven kan delas upp i mängden xenongas som används, det vill säga hur stor detektorn är. Man började med 10 kg och gick sedan upp till 100 kg. Hösten 2015 invigs en detektor på 1 ton som förväntas ge resultat om ett par år.

– Det är ett väldigt snyggt experiment, imponerande. Därefter planeras en detektor som är på flera ton. Egentligen är det den fasen som Wallenbergprojektet stödjer, men det är lite flytande eftersom vi använder data från flera experiment.

Jan Conrad har redan köpt in xenon som kommer att ingå i 1 ton-försöket. Det är som en inträdesbiljett i Xenon-projektet.

– Om man räknar på sannolikheten för att wimp ska krocka med xenon så är vi ett storleksområde nu där genombrottet borde ske snart.

Flera metoder

Forskningen kring den indirekta metoden med gammastrålning fortsätter parallellt, här har Jan Conrad sedan tidigare stöd som Wallenberg Academy Fellow.

– Metoderna är komplementära och närmar sig lösningen från olika håll. För att täcka in alla möjligheter är det bra att ha båda.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström