Het standaardmodel van de kosmologie vertelt ons dat slechts 4,9% van het heelal bestaat uit gewone materie (dat wil zeggen datgene wat we kunnen zien), terwijl de rest bestaat uit 26,8% donkere materie en 68,3% donkere energie. Zoals de namen suggereren, kunnen we ze niet zien, dus hun bestaan moest worden afgeleid op basis van theoretische modellen, waarnemingen van de grootschalige structuur van het heelal en de schijnbare zwaartekrachtseffecten ervan op zichtbare materie.
Sinds het voor het eerst werd voorgesteld, waren er geen tekort aan suggesties over hoe donkere materiedeeltjes eruit zien. Niet zo lang geleden stelden veel wetenschappers voor dat Dark Matter bestaat uit Weakly-Interacting Massive Particles (WIMPs), die ongeveer 100 keer de massa van een proton zijn, maar op elkaar inwerken als neutrino's. Alle pogingen om WIMP's te vinden met behulp van collider-experimenten zijn echter op niets uitgelopen. Als zodanig hebben wetenschappers de laatste tijd het idee verkend dat donkere materie geheel uit iets anders kan bestaan.
Huidige kosmologische modellen hebben de neiging aan te nemen dat de massa van donkere materie rond de 100 Gev (Giga-elektrovolts) ligt, wat overeenkomt met de massaschaal van veel van de andere deeltjes die via zwakke kernkracht interageren. Het bestaan van een dergelijk deeltje zou consistent zijn met supersymmetrische uitbreidingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Verder wordt aangenomen dat dergelijke deeltjes zouden zijn geproduceerd in het hete, dichte, vroege heelal, met een materiedichtheid die tot op de dag van vandaag consistent is gebleven.
Doorlopende experimentele inspanningen om WIMP's te detecteren, hebben echter geen concreet bewijs van deze deeltjes opgeleverd. Deze omvatten het zoeken naar de producten van WIMP-vernietiging (d.w.z. gammastralen, neutrino's en kosmische straling) in nabije sterrenstelsels en clusters, evenals directe detectie-experimenten met supercolliders, zoals de CERN Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland.
Hierdoor zijn veel onderzoeksteams begonnen na te denken over het WIMP-paradigma te kijken om Dark Matter te vinden. Een van die teams bestaat uit een groep kosmologen van CERN en CP3-Origins in Denemarken, die onlangs een studie hebben vrijgegeven die aangeeft dat Dark Matter veel zwaarder en veel minder interactief kan zijn dan eerder werd gedacht.
Zoals Dr. McCullen Sandora, een van de leden van het onderzoeksteam van CP-3 Origins, via e-mail aan Space Magazine vertelde:
"We kunnen het WIMP-scenario nog niet uitsluiten, maar met het voorbijgaan van het jaar wordt het steeds meer verdacht dat we niets hebben gezien. Bovendien lijdt de gebruikelijke zwakke fysica aan het hiërarchieprobleem. Dat wil zeggen, waarom alle deeltjes die we kennen zo licht zijn, vooral met betrekking tot de natuurlijke zwaartekracht, de Planck-schaal, die ongeveer 10 is19 GeV. Dus als donkere materie dichter bij de Planck-schaal zou liggen, zou dit niet worden beïnvloed door het hiërarchieprobleem, en dit zou ook verklaren waarom we de handtekeningen die verband houden met WIMP's niet hebben gezien. "
Met behulp van een nieuw model dat ze Planckian Interacting Dark Matter (PIDM) noemen, heeft het team de bovengrens van de massa van donkere materie verkend. Terwijl WIMP's de massa van donkere materie op de bovengrens van de elektrozwakke schaal plaatsen, stelde het Deense onderzoeksteam van Marthias Garny, McCullen Sandora en Martin S. Sloth een deeltje voor met een massa in de buurt van een andere natuurlijke schaal volledig - de Planck-schaal.
Op de Planck-schaal komt één enkele massa-eenheid overeen met 2,17645 × 10-8 kg - ongeveer een microgram, of 1019 keer groter dan de massa van een proton. Bij deze massa is elke PIDM in wezen zo zwaar als een deeltje kan zijn voordat het een miniatuur zwart gat wordt. Het team theoretiseert ook dat deze PIDM-deeltjes alleen met zwaartekracht in wisselwerking staan met gewone materie en dat er in het zeer vroege heelal tijdens het opwarmtijdvak een groot aantal is gevormd - een periode die plaatsvond aan het einde van het inflatoire tijdperk, zo'n 10-36 t0 10-33 of 10-32 seconden na de oerknal.
Dit tijdperk wordt zo genoemd omdat tijdens de inflatie wordt aangenomen dat de kosmische temperaturen met een factor 100.000 zijn gedaald. Toen de inflatie eindigde, keerden de temperaturen terug naar hun pre-inflatoire temperatuur (naar schatting 1027 K). Op dit punt verviel de grote potentiële energie van het opblaasveld in deeltjes van het standaardmodel die het heelal vulden, waaronder donkere materie zou zijn begrepen.
Uiteraard heeft deze nieuwe theorie een aantal implicaties voor kosmologen. Om dit model te laten werken, zou de temperatuur van het opwarmtijdvak bijvoorbeeld hoger moeten zijn dan momenteel wordt aangenomen. Bovendien zou een warmere opwarmperiode ook resulteren in het creëren van meer primordiale zwaartekrachtgolven, die zichtbaar zouden zijn in de kosmische microgolfachtergrond (CMB).
'Zo'n hoge temperatuur vertelt ons twee interessante dingen over inflatie', zegt Sandora. “Als donkere materie een PIDM blijkt te zijn: de eerste is dat inflatie plaatsvond met een zeer hoge energie, wat op zijn beurt betekent dat het niet alleen fluctuaties in de temperatuur van het vroege heelal kon produceren, maar ook in de ruimtetijd zelf, in de vorm van zwaartekrachtsgolven. Ten tweede vertelt het ons dat de inflatie-energie extreem snel in de materie moest vervallen, want als het te lang had geduurd, zou het universum zijn afgekoeld tot het punt waarop het helemaal geen PIDM's zou kunnen produceren. ”
Het bestaan van deze zwaartekrachtsgolven kan worden bevestigd of uitgesloten door toekomstige studies met kosmische microgolfachtergrond (CMB). Dit is opwindend nieuws, aangezien de recente ontdekking van zwaartekrachtsgolven naar verwachting zal leiden tot hernieuwde pogingen om primordiale golven te detecteren die teruggaan tot de schepping van het heelal.
Zoals Sandora uitlegde, presenteert dit een win-win-scenario voor wetenschappers, omdat dit betekent dat deze nieuwste kandidaat voor Dark Matter in de nabije toekomst zal kunnen bewijzen of weerleggen.
“Ons scenario maakt een concrete voorspelling: we zullen zwaartekrachtsgolven zien in de volgende generatie kosmische microgolf-achtergrondexperimenten. Daarom is het een niet te verliezen scenario: als we ze zien, is dat geweldig, en als we ze niet zien, zullen we weten dat donkere materie geen PIDM is, wat betekent dat we weten dat het wat extra interacties moet hebben met gewone materie. En dit alles zal de komende tien jaar gebeuren, wat ons veel te bieden heeft om naar uit te kijken. ”
Sinds Jacobus Kapteyn in 1922 voor het eerst het bestaan van Dark Matter voorstelde, zijn wetenschappers op zoek naar enig direct bewijs van het bestaan ervan. En één voor één zijn kandidaat-deeltjes - variërend van gravitino's en MACHOS tot axions - voorgesteld, gewogen en gebrekkig bevonden. Als er niets anders is, is het goed om te weten dat het bestaan van dit nieuwste kandidaat-deeltje in de nabije toekomst kan worden bewezen of uitgesloten.
En als blijkt dat ze juist zijn, hebben we een van de grootste kosmologische mysteries aller tijden opgelost! Een stap dichterbij om het universum echt te begrijpen en hoe zijn mysterieuze krachten op elkaar inwerken. Theorie van alles, hier komen we (of niet)!
