Phillip Hopkins
0 
4897
1326
Natuurkundigen die op jacht zijn naar de onzichtbare hand die ons universum en de sterrenstelsels daarin vormt, hebben hun blik naar de donkere kant gericht. Concreet kijkt één team achter elke kosmische rots naar zogenaamde donkere fotonen, die een voorheen onbekende natuurkracht zouden kunnen overbrengen.
Deze fotonen zouden de interactie bemiddelen tussen alle normale materie en de onzichtbare stof die donkere materie wordt genoemd.
Maar wetenschappers hebben lang begrepen dat de natuur wordt uitgerekt en getrokken en verpletterd en verscheurd door vier bekende krachten, dus hoe kon een andere kracht zich zo lang voor ons verborgen hebben gehouden? Die vier bekende krachten vormen de hoeksteen van ons alledaagse bestaan: de tirannieke maar korte afstand sterke kernkracht, die atoomkernen met elkaar verbindt; de obscure en fluisterstille zwakke kernkracht, die het radioactief verval controleert en praat met de subatomaire deeltjes die neutrino's worden genoemd; de gedurfde en heldere elektromagnetische kracht die ons leven beheerst; en de subtiele zwaartekracht, verreweg de zwakste van het kwartet.
Met behulp van deze vier fundamentele krachten zijn natuurkundigen in staat een portret te schetsen van onze subatomaire en macroscopische werelden. Er is geen interactie waarbij geen van deze vier karakters betrokken is. En toch zijn er nog steeds mysteries over interacties in ons universum, vooral op de grootste schaal. Wanneer we uitzoomen op de schaal van sterrenstelsels en verder, gebeurt er iets visachtig, en we geven dat visachtigheid de naam van donkere materie.
Is donkere materie eenvoudig en onversierd, of verbergt het een groot aantal voorheen onbekende krachten in zijn klauwen? Nu heeft een internationaal team van natuurkundigen, dat hun werk online beschrijft in het preprint-tijdschrift arXiv, een datadump van de Large Hadron Collider - 's werelds grootste atoomvernietiger - gebruikt om naar zo'n kracht te zoeken. Voor nu is hun zoektocht leeg gebleken - wat goed is (een soort van): het betekent dat onze bekende natuurwetten nog steeds gelden. Maar we kunnen donkere materie nog steeds niet verklaren.
Verwant: De 11 grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie
Verdwaald in het donker
Donkere materie is een hypothetische vorm van materie waarvan wordt gezegd dat deze ongeveer 80% van de totale massa van het universum uitmaakt. Het is nogal een probleem. We weten niet echt wat verantwoordelijk is voor al deze extra onzichtbare dingen, maar we weten dat het bestaat, en onze grootste aanwijzing is de zwaartekracht. Door de bewegingen van sterren in sterrenstelsels en sterrenstelsels in clusters te onderzoeken, samen met de evolutie van de grootste structuren in de kosmos, zijn astronomen bijna universeel tot de conclusie gekomen dat er meer is dan het galactische oog kan zien.
Een betere naam voor donkere materie is misschien onzichtbare materie. Hoewel we het kunnen afleiden uit de zwaartekrachtsinvloed (omdat er niets aan het alziend oog van Albert Einstein ontsnapt), heeft donkere materie gewoon geen interactie met licht. We weten dit omdat als donkere materie interactie had met licht (of tenminste, als het interactie had met licht op de manier waarop bekende materie dat doet), we de mysterieuze substantie inmiddels zouden hebben gezien. Maar voor zover we kunnen nagaan, absorbeert donkere materie - wat het ook is - geen licht, reflecteert het geen licht, breekt het licht niet af, verstrooit het licht of zendt het geen licht uit. Voor donkere materie is licht gewoon persona non grata; het kan net zo goed niet eens bestaan.
En dus is er een grote kans dat op dit moment legioenen donkere materiedeeltjes door je lichaam stromen. De gecombineerde massa van die eindeloze stroom kan het lot van sterrenstelsels bepalen via zwaartekracht, maar het gaat door normale materie zonder zelfs maar een hallo. Onbeleefd, ik weet het, maar dat is donkere materie voor jou.
Breng het licht
Omdat we niet weten waaruit donkere materie bestaat, zijn we vrij om allerlei scenario's te verzinnen, zowel alledaags als fantasievol. Het eenvoudigste plaatje van donkere materie zegt dat het groot en eenvoudig is. Ja, het vormt de overgrote meerderheid van de massa van het universum, maar het bestaat uit slechts een enkel, zeer productief deeltje dat niets anders doet dan massa hebben. Dat betekent dat het materiaal zichzelf bekend kan maken door de zwaartekracht, maar verder nooit in wisselwerking staat via een van de andere krachten. We zullen nooit een glimp opvangen van donkere materie die iets anders doet.
De fantasievolle scenario's zijn leuker.
Wanneer theoretici zich vervelen, bedenken ze wat donkere materie zou kunnen zijn, en nog belangrijker, hoe we het zouden kunnen detecteren. Het volgende niveau hoger op de schaal van interessante theorieën over donkere materie zegt dat de stof af en toe met normale materie kan praten via de zwakke kernkracht. Dat idee motiveert vandaag de dag experimenten met donkere materie en detectoren over de hele wereld.
Maar toch gaat dat scenario ervan uit dat er nog maar vier natuurkrachten zijn. Als donkere materie een voorheen onzichtbaar soort deeltje is, dan is het volkomen redelijk om te suggereren (omdat we geen idee hebben of we gelijk hebben of niet) dat het wordt verpakt met een voorheen onbekende natuurkracht - of misschien een paar, wie weet ? Deze potentiële kracht zou donkere materie alleen kunnen laten praten met donkere materie, of het zou donkere materie en donkere energie kunnen verstrengelen (wat we ook niet begrijpen), of het zou een nieuw communicatiekanaal kunnen openen tussen de normale en donkere sectoren van ons universum..
Opkomst van het donkere foton
Een voorgesteld communicatieportaal tussen de lichte en donkere rijken is iets dat een donker foton wordt genoemd, analoog aan het bekende (lichte) foton van de elektromagnetische kracht. We krijgen de donkere fotonen niet direct te zien, te proeven of te ruiken, maar ze kunnen zich vermengen met onze wereld. In dit scenario zendt donkere materie donkere fotonen uit, dit zijn relatief zware deeltjes. Dit betekent dat ze effecten hebben over slechts een korte afstand, in tegenstelling tot hun lichtdragende tegenhangers. Maar af en toe kan een donker foton interageren met een gewoon foton, waardoor zijn energie en baan verandert.
Dit zou een zeer zeldzame gebeurtenis zijn; anders zouden we lang geleden iets vreemds aan de hand hebben gehad met elektromagnetisme.
Dus zelfs met donkere fotonen zouden we de donkere materie niet rechtstreeks kunnen zien, maar we zouden het bestaan van de donkere fotonen kunnen opsporen door klodders elektromagnetische interacties te onderzoeken. In een heel klein deel van die klodders kan een donker foton energie 'stelen' van een normaal foton door ermee te communiceren.
Maar zoals ik al zei, we hebben een hoop interacties nodig. Toevallig hebben we gigantische Machines of Science gebouwd om precies dat te produceren, dus we hebben geluk.
In de arXiv-paper rapporteerden natuurkundigen hun resultaten na onderzoek van drie jaar aan gegevens van de Super Proton Synchrotron, de op een na grootste deeltjesversneller bij CERN. Voor dit experiment sloegen de wetenschappers de protonen tegen het subatomaire equivalent van een bakstenen muur en keken naar alle stukken in de nasleep.
In het wrak vonden de onderzoekers elektronen - heel veel. In de loop van drie jaar telden wetenschappers meer dan 20 miljard elektronen met energieën van meer dan 100 GeV. Omdat elektronen geladen deeltjes zijn en graag met elkaar in wisselwerking staan, hebben de hoogenergetische elektronen in dit experiment ook veel fotonen voortgebracht. Als er donkere fotonen bestaan, moeten ze soms een interactie aangaan met en energie stelen van een van de reguliere fotonen, een fenomeen dat in het experiment zou verschijnen als een gebrek aan licht.
Deze zoektocht naar donkere fotonen kwam leeg - alle normale fotonen waren aanwezig en er was rekening mee gehouden - maar dat sluit het bestaan van donkere fotonen niet helemaal uit. In plaats daarvan stelt het grenzen aan de toelaatbare eigenschappen van deze deeltjes. Als ze wel bestaan, zouden ze een laag energieverbruik hebben (minder dan een GeV, gebaseerd op de resultaten van het experiment) en zouden ze slechts zelden interageren met gewone fotonen.
De zoektocht naar donkere fotonen gaat echter door, met toekomstige runs van het experiment die nog verder op dit voorgestelde wezen van de subatomaire wereld zullen plaatsvinden..
Lees meer: "Dark Matter Search in Missing Energy Events met NA64"
Paul M.Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van "Vraag een ruimteman" en "Space Radio,"en auteur van"Jouw plaats in het heelal."
- De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
- 18 keer kwantumdeeltjes bliezen ons op
- Twisted Physics: 7 verbluffende bevindingen
Origineel artikel over .