Een onzichtbare substantie doordringt het universum en verandert de paden van sterren en sterrenstelsels.
Deze zogenaamde donkere materie oefent een zwaartekracht uit, maar heeft nooit interactie met licht. Niemand weet waar het van gemaakt is en tot nu toe was het onmogelijk om het te detecteren. Maar een nieuwe theorie zou eindelijk een manier kunnen zijn om te testen op donkere materie.
Donkere materie kan bestaan uit rare halve magneten, zeiden theoretische natuurkundigen van de University of California, Davis, tijdens een presentatie op 6 juni op de Planck 2019-conferentie in Granada, Spanje. En door een echt krachtige (nog niet bestaande) elektronenmicroscoop aan te zetten, kunnen we ze misschien eindelijk detecteren.
Maar niet alle natuurkundigen zijn overtuigd.
"Ik vind het netjes, maar niet veelbelovend", zegt Sabine Hossenfelder, een research fellow bij het Frankfurt Institute for Advanced Studies, die geen deel uitmaakte van de studie. 'Er zijn oneindig veel deeltjes die je kunt bedenken en die donkere materie kunnen vormen.' Dit is er weer een van, voegde ze eraan toe.
'Voor elk van deze deeltjes kun je veel berekeningen maken, papers publiceren en experimenten bedenken, waar je vervolgens geld voor kunt krijgen', zei ze. 'Als je echt geluk hebt, zal iemand je experiment doen - en die zal dan niets vinden.'
De zoektocht naar donkere materie
Hoewel theorieën voorspellen dat donkere materie bestaat, hebben we geen idee hoe het eruit ziet of waaruit het is gemaakt. Een tijdje was er "een mooi verhaal" dat donkere materie bestond uit een log, verlegen beest van een deeltje dat bekend staat als een Zwak Interactief Massief Deeltje of WIMP, zei co-auteur van de nieuwe studie, John Terning, een hoogleraar natuurkunde aan de University of California, Davis.
Jarenlang zochten wetenschappers naar deze langzame, ladingloze deeltjes met behulp van krachtige deeltjesversnellers. Maar naarmate de tijd verstreek, sloten natuurkundigen steeds meer WIMP-kandidaten uit - en het populaire idee verloor grip. Hoewel niet volledig uitgesloten, 'hebben de afgelopen tien jaar mensen nagedacht over andere mogelijkheden dan WIMP's', zei Terning.
Een andere theorie stelt dat donkere materie eigenlijk bestaat uit lichtdeeltjes of fotonen.
'Naast de gewone fotonen die we kunnen zien, kunnen er ook fotonen zijn die we niet kunnen zien', zei Terning. Deze zogenaamde "donkere fotonen" zijn hypothetische deeltjes die massa hebben, maar lichter zijn dan elektronen. Donkere fotonen zouden - hoewel tamelijk zwak - interageren met gewone fotonen.
In deze nieuwe studie bouwden Terning en zijn postdoctorale onderzoeker Christopher Verhaaren voort op deze theorie en stelden voor dat donkere materie ook zou kunnen bestaan uit donkere halve magneten. Deze hypothetische halve magneten zouden donkere versies zijn van de lang gezochte monopolen of magneten die slechts één enkele pool hebben, stelde natuurkundige Paul Dirac voor het eerst in de jaren dertig van de vorige eeuw. (Ondanks tientallen jaren van jacht, heeft niemand in de natuur nog enig bewijs voor hen gevonden.)
Dirac stelde echter niet alleen monopolen voor; hij stelde ook voor dat een elektron dat rond een monopool beweegt, wordt beïnvloed door zijn magnetische veld. Dus als de theorie van Terning en Verhaaren klopt, en donkere versies van deze halve magneten ergens in het universum op de loer liggen - en als die donkere halve magneten werken als Dirac's monopool - zouden ze ook subtiele aanwijzingen achterlaten op de paden van elektronen.
Als er donkere monopolen bestaan, zouden ze donkere fotonen uitzenden die in gewone fotonen kunnen veranderen voordat ze door elektronen worden geabsorbeerd, zei Terning. Deze interactie zou ervoor zorgen dat de elektronen slechts een heel klein beetje roteren of van koers veranderen, waardoor een interferentiepatroon ontstaat dat het Aharonov-Bohm-effect wordt genoemd. (Elektronen zijn niet alleen deeltjes, het zijn ook golven, en een interferentiepatroon is zichtbaar wanneer de pieken en dalen in de "golfvergelijking" van het elektron elkaar optellen of elkaar opheffen, waardoor een reeks parallel licht ontstaat en donkere lijnen.) Terning en Verhaaren stellen voor dat ze deze zeer kleine verandering in elektroneninterferentiepatronen met elektronenmicroscopen kunnen detecteren.
Opgewonden door de zon
Als er donkere materie bestaat, is deze in ons en overal om ons heen - inclusief in en rond elke elektronenstraalmicroscoop die we zouden gebruiken om het te detecteren. Maar om donkere materie te detecteren door de verstoring van elektronen, zouden de vreemde halve magneten waaruit donkere materie bestaat, een sterk genoeg magnetisch veld moeten hebben. Dat betekent dat deze halve magneten veel energie nodig hebben.
Monopolen die in de buurt van de zon passeren, kunnen opgewonden raken, meer energie krijgen en dan naar de aarde afdalen, zei Terning. Hij voorspelt dat ongeveer vijf van deze opgewonden monopolen per dag door iets zouden gaan dat zo groot is als hun voorgestelde elektronenstraalmicroscoop. 'Dat is niet erg, want de gebruikelijke WIMP-detectoren zouden blij zijn als ze vijf evenementen per jaar zouden krijgen', zei hij.
Bovendien zou de verandering in elektronenfase veroorzaakt door donkere halve magneten zo klein zijn dat we, om het te detecteren, elektronenstraalmicroscopen met een ongelooflijke hoge resolutie nodig hebben - de microscopen die momenteel bestaan, zijn waarschijnlijk niet krachtig genoeg . Deze elektronenmicroscoop zou een resolutie moeten hebben die vijf keer groter is dan de resolutie die momenteel bestaat, zei Terning.
Hoe dan ook, we hopen 'deze mensen met de superfijne elektronenmicroscopen te interesseren om ernaar te zoeken' of we 'moeten misschien een andere bouwen om te zitten wachten op donkere materie', zei Terning.
De verschillende concurrerende theorieën over donkere materie zouden ons totaal verschillende verhalen vertellen over hoe het vroege universum is ontstaan, zei hij. Wat meer is, als je eenmaal uitzoekt waaruit donkere materie eigenlijk is gemaakt - of het nu lichte of zware deeltjes zijn - zouden mensen denkbaar fabrieken van donkere materie kunnen creëren, hier op aarde. 'Als het erg licht is, heb je niet veel energie nodig om je eigen donkere materie te produceren.'
De wetenschappers publiceerden hun studie in het preprint-tijdschrift arXiv. Het is nog niet door vakgenoten beoordeeld.
