Hadden we donkere materie al kunnen ontdekken?
Dat is de vraag die wordt gesteld in een nieuw artikel dat op 12 februari in Journal of Physics G. is gepubliceerd. De auteurs schetsten hoe donkere materie zou kunnen worden gemaakt van een deeltje dat bekend staat als de d * (2380) hexaquark, die waarschijnlijk in 2014 werd gedetecteerd.
Donkere materie, die zwaartekracht uitoefent maar geen licht afgeeft, is niet iets dat iemand ooit heeft aangeraakt of gezien. We weten niet waar het van gemaakt is en talloze zoekopdrachten naar de spullen zijn leeg gekomen. Maar een overweldigende meerderheid van natuurkundigen is ervan overtuigd dat het bestaat. Het bewijs is overal in het universum gepleisterd: sterrenhopen die veel sneller draaien dan anders zou moeten, mysterieuze vervormingen van het licht door de nachtelijke hemel en zelfs gaten in onze melkweg die door een ongezien impactor in ons sterrenstelsel zijn geslagen, wijzen erop dat er iets daarbuiten is van de massa van het universum - dat we nog niet begrijpen.
De meest algemeen bestudeerde theorieën over donkere materie omvatten hele klassen nooit eerder vertoonde deeltjes van ver buiten het standaardmodel van de fysica, de dominante theorie die subatomaire deeltjes beschrijft. De meeste hiervan passen in een van de twee categorieën: de lichtgewicht axions en de zwaargewicht WIMP's, of zwak interagerende massieve deeltjes. Er zijn andere, meer exotische theorieën over nog niet ontdekte soorten neutrino's of een theoretische klasse van microscopische zwarte gaten. Maar zelden stelt iemand voor dat donkere materie wordt gemaakt van iets waarvan we al weten dat het bestaat.
Mikhail Bashkanov en Daniel Watts, natuurkundigen aan de Universiteit van York in Engeland, braken die mal en voerden aan dat de d * (2380) hexaquark, of 'd-ster', alle ontbrekende materie zou kunnen verklaren.
Quarks zijn fundamentele fysieke deeltjes in het standaardmodel. Drie ervan aan elkaar gebonden (met behulp van deeltjes die bekend staan als gluonen) kunnen een proton of een neutron vormen, de bouwstenen van atomen. Schik ze op andere manieren en je krijgt verschillende, meer exotische deeltjes. De d-ster is een positief geladen deeltje van zes quark waarvan onderzoekers denken dat het een fractie van een seconde bestond tijdens een experiment in 2014 in het Duitse Jülich Research Center. Omdat het zo vluchtig was, is de detectie van d-sterren niet absoluut bevestigd.
Individuele d-sterren konden donkere materie niet verklaren omdat ze niet lang genoeg duren voordat ze vervallen. Bashkanov vertelde WordsSideKick.com echter, vroeg in de geschiedenis van het universum, dat de deeltjes misschien op een manier waren samengeklonterd op een manier die zou hebben voorkomen dat ze zouden vervallen.
Dat scenario doet zich voor bij neutronen. Haal een neutron uit een kern en het vervalt heel snel, maar meng het met andere neutronen en protonen in de kern en het wordt stabiel, zei Baskankan.
'Hexaquarks gedragen zich precies hetzelfde', zei Basjkanov.
Bashkanov en Watts theoretiseerden dat groepen d-sterren stoffen zouden kunnen vormen die bekend staan als Bose-Einstein-condensaten of BEC's. In kwantumexperimenten ontstaan BEC's wanneer de temperatuur zo laag daalt dat atomen elkaar gaan overlappen en in elkaar overvloeien, een beetje zoals de protonen en neutronen in atomen. Het is een materie die verschilt van vaste materie.
Vroeg in de geschiedenis van het universum zouden die BEC's vrije elektronen hebben opgevangen en een neutraal geladen materiaal vormen. Een neutraal geladen d-ster BEC, schreven de natuurkundigen, zou zich net als donkere materie gedragen: onzichtbaar, door lichtgevende materie glippen zonder het merkbaar rond te stoten, maar toch een aanzienlijke zwaartekracht op het omringende universum uitoefenen.
De reden dat je niet door een stoel valt als je erop gaat zitten, is dat de elektronen van de stoel tegen de elektronen van je achterkant duwen, waardoor een barrière ontstaat van negatieve elektrische ladingen die weigeren paden te kruisen. Onder de juiste omstandigheden, zei Bashkanov, zouden BEC's gemaakt van hexaquarks met ingesloten elektronen dergelijke barrières niet hebben en door andere soorten materie glippen, zoals perfect neutrale geesten.
Deze BEC's kunnen zich kort na de oerknal hebben gevormd, toen de ruimte overging van een zee van heet quark-gluonplasma zonder duidelijke atoomdeeltjes naar ons moderne tijdperk met deeltjes zoals protonen, neutronen en hun neven en nichten. Op het moment dat die basische atomaire deeltjes zich vormden, waren de omstandigheden perfect voor hexaquark BEC's om uit het quark-gluon-plasma neer te slaan.
"Vóór deze overgang is de temperatuur te hoog; daarna is de dichtheid te laag", zei Basjkanov.
Tijdens deze overgangsperiode zouden de quarks bevroren kunnen zijn in ofwel gewone deeltjes, zoals protonen en neutronen, of in de hexaquark BEC's die tegenwoordig donkere materie zouden kunnen uitmaken, zei Basjkanov. Als deze hexaquarks BEC's er zijn, schreven de onderzoekers, kunnen we ze misschien detecteren. Hoewel de BEC's vrij lang leven, zullen ze af en toe rond de aarde vergaan. En dat verval zou verschijnen als een bepaalde handtekening in detectoren die zijn ontworpen om kosmische straling te spotten, en het zou lijken alsof het uit alle richtingen tegelijk kwam alsof de bron de hele ruimte vulde.
De volgende stap, schreven ze, is om die handtekening te zoeken.
