Anderhalve kilometer onder een berg in Italië vullen wetenschappers van het Gran Sasso National Laboratory een deeltjesdetector met vloeibaar xenon, in de hoop bewijs te kunnen waarnemen van donkere materie. Het idee is dat het laboratorium dat uiteindelijk zal doen, vrij van kosmische straling die dit soort experimenten bovengronds verstoort onzichtbare deeltjes detecteren die geen interactie hebben met licht door in kaart te brengen hoe die deeltjes in het experiment met het xenon botsen – bijna als een groep biljartballen die alle kanten op schieten als ze door een keu worden geraakt.
Verwacht wordt dat ongeveer een miljard van een bepaalde groep deeltjes, zwak interacterende massieve deeltjes genoemd – of kortweg WIMPS – hier doorheen zullen gaan. detector per seconde. Maar tot nu toe is geen van hen in botsing gekomen met donkere materie, zegt dr. Abigail Kopec, universitair docent natuurkunde en astronomie aan de Bucknell University in Pennsylvania, die met de gegevens van de botsing werkt. Er worden momenteel echter veel experimenten uitgevoerd op het gebied van de jacht op donkere materie, elk specifiek gericht op het detecteren ervan op basis van wat we weten over hoe het zich in het universum gedraagt.
Als donkere materie wordt ontdekt door een van deze experimenten of een ander experiment dat nog niet is bedacht, zou dit in wezen een licht kunnen werpen op een heel verborgen universum dat voorlopig een mysterie blijft, zei dr. Tracy Slatyer, een theoretisch deeltjesfysicus bij het Massachusetts Institute of Technology.
“We zouden die hele onzichtbare steiger van het universum kunnen onthullen en in kaart kunnen brengen, niet alleen door zijn zwaartekracht, maar door het nu rechtstreeks in het juiste soort licht te zien”, vertelde Slatyer aan Salon in een videogesprek. “De reden om te begrijpen wat donkere materie is, is om het universum te begrijpen.”
„We zouden die hele onzichtbare steiger van het universum kunnen onthullen.“
Het eerste bewijs dat er donkere materie bestond, dateert uit de jaren dertig, maar het werd nog duidelijker dat in de jaren zestig een onzichtbare massa inwerkte op de zwaartekrachten van het universum. Toen merkten astronomen dat sterrenstelsels te snel bewogen gezien de hoeveelheid licht die ze waarnamen. Met andere woorden: een andere vorm van materie, naast wat we konden waarnemen, beïnvloedde hun zwaartekracht. Door de decennia heen hebben talloze observaties van hoe stof, gas en rimpelingen in de kosmische microgolfachtergrond, of de overgebleven straling van het oerplasma van het universum, zich verplaatsten, erop gewezen dat er donkere materie bestaat.
“Dit alles heeft geleid tot de conclusie dat er door de zwaartekracht iets aan de lichtgevende materie trekt, de materie die we kunnen zien, die geen interactie heeft met licht”, vertelde Kopec aan Salon in een videogesprek. “Donkere materie maakt ongeveer 25% van het universum uit… Op dit moment is dit een enorme leemte in ons begrip van het universum.”
Hoewel astrofysici heel precies hebben kunnen berekenen dat het universum voor 26,8% uit donkere materie bestaat, blijven de ware kenmerken ervan ongrijpbaar. Dit is moeilijk te achterhalen omdat, zoals gezegd, donkere materie geen interactie heeft met licht en in de loop van de tijd niet lijkt te vergaan – maar er is wel sprake van zwaartekracht. Het is duidelijk aanwezig in onze Melkweg, maar wordt in sommige gevallen in hogere concentraties aangetroffen andere sterrenstelsels die dwergsteroïdale sterrenstelsels worden genoemd. En wanneer twee clusters van sterrenstelsels met elkaar botsen, ontstaan er wolken van donkere materie gaan dwars door elkaar heenzonder te vertragen.
Wilt u meer gezondheids- en wetenschapsverhalen in uw inbox? Abonneer u op de wekelijkse nieuwsbrief van Salon Lab-aantekeningen.
Deze aanwijzingen dienen als basis voor het ontwerpen van experimenten. Momenteel omvatten de twee meest populaire ontwerpen experimenten zoals die van Kopec in Italië, die proberen te bepalen of donkere materie uit WIMPs bestaat, versus experimenten die onderzoeken of donkere materie een axion is, een axion. hypothetisch elementair deeltje voorgesteld in de theorie van de kwantumchromodynamica (QCD.)
Het WIMP-idee is gerelateerd aan een ander idee dat donkere materie wordt genoemd supersymmetrie. Dit is in wezen het idee dat er een onderliggende symmetrie in het universum bestaat, en voor elk deeltje dat we kennen is er een partnerdeeltje (dat nog moet worden gevonden) dat donkere materie zou kunnen vormen, zei Slatyer. De namen voor deze speculatieve deeltjes plak vaak een S aan de namen van bekende deeltjes: selectrons contrasteren elektronen, de squark is de omgekeerde tweelingbroer van de quark, enzovoort.
In de ruim tien jaar van observaties is er echter geen bewijs gevonden om dit idee te ondersteunen, zelfs niet met behulp van de Grote Hadron-botser zoals sommigen hadden gehoopt.
„Donkere materie zou een nieuw deeltje kunnen zijn dat lichter is dan alle deeltjes die we kennen.“
“Deze klasse van ideeën is minder populair geworden omdat we, toen we de Large Hadron Collider aanzetten, geen bewijs van supersymmetrie zagen”, vertelde Slatyer aan Salon in een videogesprek. “Dit is nog steeds een haalbare mogelijkheid, maar een van de dingen die gebeurden nadat de LHC dit niet had ontdekt, was dat het mensen ertoe aanzette te beseffen dat dit nooit de enige mogelijkheid was.”
Het idee achter de QCD-theorie is dat donkere materie duizenden en duizenden keren lichter zou kunnen zijn dan alle deeltjes die we momenteel kennen en zich meer als een golf gedraagt. Dit is een aantrekkelijke hypothese, omdat het ook iets zou oplossen dat de ‘ sterk CP-probleem in het standaardmodel van de kosmologie, zei Dr. Ciaran O’Hare, een deeltjesastrofysicus aan de Universiteit van Sydney die donkere materie bestudeert. Dit is in wezen een spanning in het model waarbij iets niet klopt bij het onderzoeken van de kernkracht die protonen, neutronen en andere deeltjes met elkaar verbindt.
„Als donkere materie een QCD-axion zou zijn, zou het in wezen onzichtbaar voor ons zijn“, vertelde O’Hare aan Salon in een videogesprek. „We zouden er doorheen stromen, maar we zouden het meestal niet merken en zouden heel specifieke experimenten moeten bouwen om dat te zien.“
Hoewel de technologie vooruit is gegaan sinds de eerste axiondetectoren in de jaren tachtig online gingen, is de uitdaging voor de meeste van hen dat ze elke massamogelijkheid van donkere materie één voor één testen, zei Kopec.
Wetenschappers konden een vorm van ‘hete donkere materie’ detecteren toen ze neutrino’s ontdekten, raadselachtige deeltjes die zo klein zijn dat ze bijna nul massa. Het is niet verwonderlijk dat dit het detecteren van dit deeltje uiterst uitdagend maakt om te bestuderen. Bij een experiment waarbij deeltjes in een detector van 5 bij 5 voet botsten, kostte het Kopecs team twee en een half jaar om identificeer slechts 11 neutrino-botsingen. Toch testen anderen of de rest van de donkere materie bestaat als ‘steriele’ neutrino’s, dat wil zeggen deeltjes die geen interactie hebben met andere zichtbare deeltjes. Hoewel dit nog steeds een plausibele hypothese is, vormen deze deeltjes waarschijnlijk niet het grootste deel van de donkere materie in het universum.
Een andere leidende theorie is dat donkere materie zou zich kunnen verstoppen in oer-zwarte gatendie vroeg in het universum ontstonden. De uitdaging bij het vinden van bewijs ter ondersteuning van dit idee is dat wetenschappers hebben vastgesteld dat om dit waar te maken, het zwarte gaten ter grootte van ongeveer een asteroïde moeten zijn, die moeilijk te vinden zijn gezien de schaal van het universum. zei Haas.
“Het observeren van zwarte gaten met de massa van een asteroïde is gewoon ongelooflijk moeilijk,” zei O’Hare. “We hebben ideeën, maar het zal wat tijd kosten om die ideeën echt uit te werken en uit te werken. Ik zou zeggen dat we, als we echt geluk hebben, dat gat in de komende vijf jaar kunnen dichten en het ding óf gezien kunnen hebben, óf volledig kunnen uitsluiten dat er sprake is van zwarte gaten.’
Het veld is al tientallen jaren op zoek naar donkere materie, maar elk mislukt experiment is hopelijk een stap dichter bij het vinden van donkere materie. Of het kan morgen in een van de huidige experimenten opduiken. Wetenschappers blijven optimistisch dat we in het komende decennium bewijs voor donkere materie zullen kunnen vinden. Een andere mogelijkheid is dat we het misschien nooit zullen vinden en dat daarbij natuurkunde betrokken is die we nog niet begrijpen of niet kunnen waarnemen, zei Slatyer.
„Het zou kunnen dat het idee dat we dit experimenteel gaan testen slechts valse hoop is“, zei Slatyer. “Maar tegelijkertijd zou donkere materie, gegeven wat we weten, een nieuw deeltje kunnen zijn dat lichter is dan alle deeltjes die we kennen, iets dat voortdurend om ons heen wordt geproduceerd, deeltjes die voortdurend door de kamer vliegen. – en je hoeft alleen maar een gevoelige detector op te hangen en je zult ze vinden.”
