Deze vreemde 'quasi-deeltjes' zouden eindelijk de donkere materie kunnen ontmaskeren

Ongeveer 80% van alle materie in de kosmos heeft een vorm die volledig onbekend is voor de huidige fysica. We noemen het donkere materie, omdat we zo goed als we kunnen zien dat het ... donker is. Experimenten over de hele wereld proberen een verdwaald donker materiedeeltje te vangen in de hoop het te begrijpen, maar tot nu toe zijn ze leeg gebleken.

Onlangs heeft een team van theoretici een nieuwe manier voorgesteld om op donkere materie te jagen met behulp van rare "deeltjes" genaamd magnons, een naam die ik niet zomaar heb verzonnen. Deze kleine rimpelingen zouden zelfs een vluchtig, lichtgewicht deeltje van donkere materie uit zijn schuilplaats kunnen lokken, zeggen die theoretici. [De 11 grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie]

De donkere materie-puzzel

We weten van alles over donkere materie, met als opmerkelijke uitzondering wat het is.

Hoewel we het niet direct kunnen detecteren, zien we het bewijs van donkere materie zodra we onze telescopen openen voor het wijdere universum. De eerste onthulling, lang geleden in de jaren dertig, kwam door observaties van clusters van sterrenstelsels, enkele van de grootste structuren in het universum. De sterrenstelsels die ze bewoonden, bewogen gewoon te snel om als een cluster bij elkaar te worden gehouden. Dat komt omdat de collectieve massa van de sterrenstelsels de zwaartekrachtlijm geeft die de cluster bij elkaar houdt - hoe groter de massa, hoe sterker die lijm. Een supersterke lijm kan zelfs de snelst bewegende sterrenstelsels bij elkaar houden. Sneller en het cluster zou zichzelf gewoon uit elkaar scheuren.

Maar daar waren de clusters, bestaand, met sterrenstelsels die er veel sneller in rond zoemden dan ze zouden moeten gezien de massa van de cluster. Iets had genoeg zwaartekracht om de clusters bij elkaar te houden, maar dat iets straalde niet uit of had geen wisselwerking met licht.

Dit mysterie bleef decennia lang onopgelost, en in de jaren zeventig legde astronoom Vera Rubin de lat enorm hoger door observaties van sterren in sterrenstelsels. Nogmaals, de dingen gingen te snel: gezien hun waargenomen massa, hadden de sterrenstelsels in ons universum zich miljarden jaren geleden uit elkaar moeten spinnen. Iets hield ze bij elkaar. Iets ongezien. [11 fascinerende feiten over ons Melkwegstelsel]

Het verhaal herhaalt zich overal in de kosmos, zowel in tijd als in ruimte. Van het vroegste licht van de oerknal tot de grootste structuren in het universum, er is iets vreemds aan de hand.

Zoeken in het donker

Dus donkere materie is er heel erg - we kunnen gewoon geen andere levensvatbare hypothese vinden om de tsunami aan gegevens te verklaren die het bestaan ​​ervan ondersteunen. Maar wat is het? Onze beste gok is dat donkere materie een soort nieuw, exotisch deeltje is, tot dusverre onbekend in de natuurkunde. Op deze foto overspoelt donkere materie elk sterrenstelsel. In feite is het zichtbare deel van een melkwegstelsel, zoals gezien door sterren en wolken van gas en stof, slechts een kleine vuurtoren tegen een veel grotere, donkerdere kust. Elk sterrenstelsel bevindt zich in een grote "halo" die bestaat uit ontelbaar veel deeltjes donkere materie.

Deze donkere materiedeeltjes stromen nu door je kamer. Ze stromen door je heen. Een oneindige regenbui van kleine, onzichtbare deeltjes van donkere materie. Maar je merkt ze gewoon niet op. Ze hebben geen interactie met licht of met geladen deeltjes. Je bent gemaakt van geladen deeltjes en je bent erg vriendelijk met licht; je bent onzichtbaar voor donkere materie en donkere materie is onzichtbaar voor jou. De enige manier waarop we donkere materie 'zien' is door de zwaartekracht; de zwaartekracht merkt elke vorm van materie en energie in het universum op, donker of niet, dus op de grootste schaal zien we de invloed van de gecombineerde massa van al deze ontelbare deeltjes. Maar hier in je kamer? Niets.

Tenzij we hopen dat er een andere manier is waarop donkere materie in wisselwerking staat met normale materie. Het is mogelijk dat het donkere materiedeeltje, wat het ook is, ook voelt dat de zwakke nucleaire kracht - die verantwoordelijk is voor radioactief verval - een nieuw venster opent naar dit verborgen rijk. Stel je voor dat je een gigantische detector bouwt, gewoon een grote massa van welk element je ook bij de hand hebt. Donkere materiedeeltjes stromen er doorheen, bijna allemaal volkomen ongevaarlijk. Maar soms, met een zeldzaamheid die afhangt van het specifieke model van donkere materie, interageert het passerende deeltje met een van de atoomkernen van de elementen in de detector via de zwakke kernkracht, waardoor het op zijn plaats valt en de hele massa van de detector ontstaat. Pijlkoker.

Voer de magnon in

Deze experimentele opstelling werkt alleen als het donkere-materiedeeltje relatief zwaar is, waardoor het genoeg kracht heeft om een ​​kern uit te schakelen in een van die zeldzame interacties. Maar tot nu toe heeft geen van de donkere-materiedetectoren over de hele wereld enig spoor van een interactie gezien, zelfs niet na jaren en jaren van zoeken. Naarmate de experimenten vorderden, zijn de toelaatbare eigenschappen van donkere materie langzaamaan uitgesloten. Dit hoeft niet per se een slechte zaak te zijn; we weten gewoon niet waar donkere materie van gemaakt is, dus hoe meer we weten over wat het niet is, hoe duidelijker het beeld is van wat het zou kunnen zijn.

Maar het uitblijven van resultaten kan een beetje verontrustend zijn. De zwaarste kandidaten voor donkere materie worden uitgesloten, en als het mysterieuze deeltje te licht is, zal het nooit te zien zijn in de detectoren zoals ze nu zijn opgesteld. Dat wil zeggen, tenzij er een andere manier is waarop donkere materie met gewone materie kan praten.

In een recent artikel gepubliceerd in het preprint online tijdschrift arXiv, beschrijven natuurkundigen een voorgestelde experimentele opstelling die een donkere materiedeeltje zou kunnen herkennen bij het veranderen van de spin van elektronen (als donkere materie dat in feite kan doen). In deze opstelling kan donkere materie mogelijk worden gedetecteerd, zelfs als het verdachte deeltje erg licht is. Dit kan door zogenaamde magnonen in het materiaal te creëren.

Stel je voor dat je een brok materiaal hebt bij een temperatuur van het absolute nulpunt. Alle spins - als kleine staafmagneten - van alle elektronen in die materie zullen in dezelfde richting wijzen. Terwijl je de temperatuur langzaam verhoogt, zullen sommige elektronen wakker worden, ronddraaien en willekeurig hun spins in de tegenovergestelde richting richten. Hoe hoger je de temperatuur verhoogt, hoe meer elektronen worden omgedraaid - en elk van die salto's vermindert de magnetische kracht met een klein beetje. Elk van die omgedraaide spins veroorzaakt ook een kleine rimpel in de energie van het materiaal, en die kronkels kunnen worden gezien als een quasi-deeltje, niet als een echt deeltje, maar iets dat je op die manier met wiskunde kunt beschrijven. Deze quasi-deeltjes staan ​​bekend als "magnons", waarschijnlijk omdat ze net kleine, schattige kleine magneten zijn.

Dus als je begint met een heel koud materiaal, en genoeg donkere materiedeeltjes raken het materiaal en draaien wat rondjes, dan zie je magnonen. Vanwege de gevoeligheid van het experiment en de aard van de interacties, kan deze opstelling een lichtgewicht donkere-materiedeeltje detecteren.

Dat wil zeggen, als het bestaat.

• 9 ideeën over zwarte gaten die je versteld doen staan
• De 11 grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie
• De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde

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.

Oorspronkelijk gepubliceerd op .