Ongeveer 80% van alle materie in de kosmos heeft een vorm die voor de huidige fysica volkomen onbekend is. We noemen het donkere materie, want voor zover we kunnen zien is het ... donker. Experimenten over de hele wereld proberen een verdwaald deeltje van donkere materie te vangen in de hoop het te begrijpen, maar tot nu toe zijn ze leeg gelopen.
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 de schuilplaats kunnen lokken, zeggen die theoretici.
De donkere materiepuzzel
We weten van alles over donkere materie, met uitzondering van 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 openbaring, helemaal in de jaren dertig, kwam door waarnemingen van sterrenstelselclusters, enkele van de grootste structuren in het universum. De sterrenstelsels die hen 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, die bestonden, met sterrenstelsels die veel sneller in hen rond zoemden dan ze zouden moeten krijgen gezien de massa van de cluster. Iets had voldoende zwaartekracht om de clusters bij elkaar te houden, maar dat iets geen licht uitstraalde of met licht in wisselwerking stond.
Dit mysterie bleef in de afgelopen decennia onopgelost en in de jaren zeventig verhoogde astronoom Vera Rubin de ante op grote schaal door observaties van sterren in sterrenstelsels. Nogmaals, de zaken gingen te snel: gezien hun waargenomen massa hadden de sterrenstelsels in ons universum miljarden jaren geleden uit elkaar moeten zijn gedraaid. Iets hield ze bij elkaar. Iets ongezien.
Het verhaal herhaalt zich in de hele kosmos, zowel in tijd als in ruimte. Van het vroegste licht van de oerknal tot de grootste structuren in het universum, er is iets funky daarbuiten.
Zoeken in het donker
Dus donkere materie is er heel erg - we kunnen gewoon geen andere haalbare hypothese vinden om de tsunami van gegevens te verklaren die het bestaan ervan ondersteunt. Maar wat is het? Onze beste gok is dat donkere materie een soort nieuw, exotisch deeltje is, dat tot nu toe onbekend was voor de natuurkunde. Op deze foto overspoelt donkere materie elk sterrenstelsel. In feite is het zichtbare deel van een sterrenstelsel, gezien door sterren en wolken van gas en stof, slechts een kleine vuurtoren tegen een veel grotere, donkerdere kust. Elk sterrenstelsel zit in een grote "halo" die bestaat uit ontelbare ontelbare donkere materiedeeltjes.
Deze donkere materiedeeltjes stromen nu door je kamer. Ze stromen door je heen. Een eindeloze regenbui van kleine, onzichtbare donkere materiedeeltjes. Maar je merkt ze gewoon niet. 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 talloze deeltjes. Maar hier in je kamer? Niets.
Tenzij we hopen dat er een andere manier is waarop donkere materie met ons in wisselwerking staat met normale materie. Het is mogelijk dat het deeltje van donkere materie, wat het ook is, ook de zwakke kernkracht voelt - die verantwoordelijk is voor radioactief verval - een nieuw venster opent in dit verborgen rijk. Stel je voor dat je een gigantische detector bouwt, gewoon een grote massa van welk element dan ook dat je bij de hand hebt. Donkere materiedeeltjes stromen er doorheen, bijna allemaal volledig onschadelijk. Maar soms, met een zeldzaamheid afhankelijk 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 wordt geslagen en de hele massa van de detector wordt gemaakt Pijlkoker.
Voer de magnon in
Deze experimentele opstelling werkt alleen als het deeltje met donkere materie relatief zwaar is, waardoor het genoeg pit geeft 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 voortschrijden, zijn de toelaatbare eigenschappen van donkere materie langzaam uitgesloten. Dit is niet per se een slechte zaak; we weten gewoon niet waar donkere materie van gemaakt is, dus hoe meer we weten wat het niet is, hoe duidelijker het beeld is van wat het zou kunnen zijn.
Maar het gebrek aan resultaten kan een beetje zorgwekkend zijn. De zwaarste kandidaten voor donkere materie worden uitgesloten en als het mysterieuze deeltje te licht is, zal het nooit worden gezien 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 deeltje van donkere materie zou kunnen ontdekken tijdens het veranderen van de spin van elektronen (als donkere materie dat in feite kan). In deze opstelling kan donkere materie mogelijk worden gedetecteerd, zelfs als het verdachte deeltje erg licht is. Het kan dit doen door zogenaamde magnonen in het materiaal te creëren.
Doe alsof je een stuk materiaal hebt bij een temperatuur van absoluut nul. Alle spins - zoals kleine staafmagneten - van alle elektronen in die materie zullen in dezelfde richting wijzen. Terwijl je de temperatuur langzaam verhoogt, zullen sommige elektronen wakker worden, wiebelen 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 sterkte met een klein beetje. Elk van die omgedraaide spins veroorzaakt ook een kleine rimpeling in de energie van het materiaal, en die wiebels kunnen worden gezien als een quasi-deeltje, geen echt deeltje, maar iets dat je op die manier met wiskunde kunt beschrijven. Deze quasideeltjes staan bekend als 'magnonen', waarschijnlijk omdat het net kleine, schattige kleine magneten zijn.
Dus als je begint met een heel koud materiaal, en er genoeg donkere materiedeeltjes op het materiaal vallen en een paar spins omdraaien, dan zie je magnons. Vanwege de gevoeligheid van het experiment en de aard van de interacties, kan deze opstelling een lichtgewicht deeltje met donkere materie detecteren.
Tenminste, als het bestaat.
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.
