Natuurkundigen op zoek naar de onzichtbare hand die ons universum en de sterrenstelsels daarin vormt, hebben hun blik op de donkere kant gericht. Concreet kijkt één team achter elke kosmische rots naar zogenaamde donkere fotonen, die een voorheen onbekende natuurkracht zouden kunnen uitzenden.
Deze fotonen zouden de interactie tussen alle normale materie en de onzichtbare materie die donkere materie wordt genoemd, tot stand brengen.
Maar wetenschappers hebben al lang begrepen dat de natuur wordt uitgerekt en getrokken en gesmoord en verscheurd door vier bekende krachten, dus hoe kan een andere kracht zich zo lang voor ons hebben verborgen? Deze vier bekende krachten vormen de hoeksteen van ons alledaagse bestaan: de tirannieke maar op korte afstand sterke kernkracht, die atoomkernen aan elkaar bindt; de obscure en fluisterstille zwakke kernkracht, die radioactief verval regelt en praat met de subatomaire deeltjes die neutrino's worden genoemd; de gedurfde en heldere elektromagnetische kracht, die ons leven domineert; en de subtiele zwaartekracht, verreweg de zwakste van het kwartet.
Met behulp van deze vier fundamentele krachten kunnen natuurkundigen een portret 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 daarbuiten, treedt er iets raars op en geven we die vis de naam donkere materie.
Is donkere materie eenvoudig en onopgesmukt, 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 voorgedrukte tijdschrift arXiv, een datadump van de Large Hadron Collider - 's werelds grootste atoomverpleger - gebruikt om naar zo'n kracht te zoeken. Voorlopig is hun zoektocht leeg gelopen - wat goed is (soort van): het betekent dat onze bekende natuurkundige wetten nog steeds gelden. Maar we kunnen donkere materie nog steeds niet verklaren.
Verloren in het donker
Donkere materie is een hypothetische vorm van materie die naar verluidt 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 binnen sterrenstelsels en sterrenstelsels binnen 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 ontmoet.
Een betere naam voor donkere materie is misschien onzichtbare materie. Hoewel we het kunnen afleiden uit de invloed van de zwaartekracht (omdat niets aan het alziend oog van Albert Einstein ontsnapt), heeft donkere materie gewoon geen interactie met licht. We weten dit, want als donkere materie met licht zou interageren (of tenminste, als het met licht zou interageren zoals vertrouwde materie dat doet), zouden we de mysterieuze substantie inmiddels hebben gezien. Maar voor zover we weten, absorbeert donkere materie - wat het ook is - geen licht, reflecteert het licht, breekt het licht niet, verstrooit het licht niet of zendt het licht uit. Voor donkere materie is licht gewoon persona non grata; het kan net zo goed niet eens bestaan.
En dus is de kans groot dat legioenen donkere materiedeeltjes nu door je lichaam stromen. De gecombineerde massa van die eindeloze stroom kan het lot van sterrenstelsels via zwaartekracht beïnvloeden, maar gaat zonder zelfs hallo door de normale materie. Onbeleefd, ik weet het, maar dat is donkere materie voor jou.
Breng het licht
Omdat we niet weten waar donkere materie van is gemaakt, zijn we vrij om allerlei scenario's te bedenken, zowel alledaags als fantasievol. Het eenvoudigste beeld 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 één enkel, zeer productief deeltje dat niets anders doet dan massa hebben. Dat betekent dat het materiaal zichzelf kan bekendmaken door zwaartekracht, maar anders nooit in wisselwerking staat met een van de andere krachten. We zullen nooit een glimp opvangen van donkere materie die iets anders doet.
De fantasievolle scenario's zijn leuker.
Als theoretici zich vervelen, bedenken ze ideeën over wat donkere materie zou kunnen zijn, en nog belangrijker, hoe we het zouden kunnen detecteren. Het volgende niveau op de schaal van interessante theorieën over donkere materie zegt dat de stof af en toe met de normale materie kan praten via de zwakke kernkracht. Dat idee motiveert hedendaagse experimenten met donkere materie en detectoren over de hele wereld.
Maar toch veronderstelt dat scenario dat er nog maar vier natuurkrachten zijn. Als donkere materie een tot nu toe ongezien soort deeltje is, is het volkomen redelijk om te suggereren (omdat we geen idee hebben of we gelijk hebben of niet) dat het wordt geleverd met een voorheen onbekende natuurkracht - of misschien een stel, wie weet ? Deze potentiële kracht kan donkere materie alleen laten praten met donkere materie, of het kan donkere materie en donkere energie met elkaar verstrengelen (wat we ook niet begrijpen), of het kan een nieuw communicatiekanaal 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 een zogenaamd donker foton, analoog aan het bekende (licht) foton van de elektromagnetische kracht. We kunnen de donkere fotonen niet rechtstreeks zien, proeven of ruiken, maar ze kunnen zich vermengen met onze wereld. In dit scenario zendt donkere materie donkere fotonen uit, dat zijn relatief massieve deeltjes. Dit betekent dat ze effecten hebben op slechts een korte afstand, in tegenstelling tot hun lichtdragende tegenhangers. Maar af en toe kan een donker foton een wisselwerking hebben met een gewoon foton, waardoor de energie en het traject veranderen.
Dit zou een zeer zeldzame gebeurtenis zijn; anders hadden we lang geleden al iets funky opgemerkt met elektromagnetisme.
Dus zelfs met donkere fotonen zouden we de donkere materie niet direct kunnen zien, maar we zouden het bestaan van de donkere fotonen kunnen opsnuiven door klodders elektromagnetische interacties te onderzoeken. In een klein deel van die klodders kan een donker foton energie "stelen" van een gewoon foton door ermee in wisselwerking te staan.
Maar zoals ik al zei, we hebben veel interacties nodig. Het is gewoon zo dat we gigantische Machines of Science hebben gebouwd om precies dat te produceren, dus we hebben geluk.
In het arXiv-artikel rapporteerden natuurkundigen hun resultaten na onderzoek van drie jaar aan gegevens van de Super Proton Synchrotron, de op één 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 stukjes in de nasleep.
In het wrak vonden de onderzoekers elektronen - veel van hen. 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 interageren, brachten de hoogenergetische elektronen in dit experiment ook veel fotonen voort. Als er donkere fotonen bestaan, moeten ze soms interageren met en energie stelen van een van de gewone fotonen, een fenomeen dat in het experiment zou opduiken als een gebrek aan licht.
Deze zoektocht naar donkere fotonen kwam leeg - alle normale fotonen waren aanwezig en werden verantwoord - maar dat sluit het bestaan van donkere fotonen niet helemaal uit. In plaats daarvan stelt het grenzen aan de toegestane eigenschappen van deze deeltjes. Als ze zouden bestaan, zouden ze weinig energie 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 zijn gericht.
Lees meer: "Donkere materie zoeken in ontbrekende energie-evenementen met NA64"
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van "Vraag een Spaceman" en "Space Radio, "en auteur van"Jouw plaats in het universum."
