De opkomst van donkere materie
Soms lijkt het erop dat de donkere materie zelf wraak neemt op wetenschappers vanwege de onoplettendheid waarmee de ontdekking ervan meer dan 80 jaar geleden werd ontmoet. Toen, in 1933, ontdekte de Amerikaanse astronoom van Zwitserse afkomst Fritz Zwicky, die zeshonderd sterrenstelsels observeerde in de Comacluster op 300 miljoen lichtjaar van de Melkweg, dat de massa van deze cluster, bepaald op basis van de bewegingssnelheid van sterrenstelsels, 50 keer groter is dan de massa. berekend door de helderheid van sterren te schatten.
Omdat hij geen flauw idee had van wat dit massaverschil is, gaf hij het de nu officiële definitie: donkere materie.
Heel lang waren er maar heel weinig mensen geïnteresseerd in donkere materie. Astronomen geloofden dat het probleem van de verborgen massa vanzelf zou worden opgelost als het mogelijk was om meer volledige informatie te verzamelen over kosmisch gas en zeer zwakke sterren. De situatie begon pas te veranderen nadat de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en Kent Ford in 1970 de resultaten hadden gepubliceerd van metingen van de snelheden van sterren en gaswolken in het grote spiraalstelsel M31 - de Andromedanevel. Tegen alle verwachtingen in bleek dat deze snelheden ver van het centrum ongeveer constant waren, wat in tegenspraak was met de mechanica van Newton en alleen werd verklaard in de veronderstelling dat een grote hoeveelheid onzichtbare massa de melkweg omringt.
Wanneer je een fenomeen tegenkomt waarover niets bekend is, kan er een groot aantal verklaringen aan worden toegeschreven, en het blijft alleen om ze een voor een te doorzoeken, de nutteloze af te wijzen en gaandeweg nieuwe uit te vinden. Bovendien is het geen feit dat het van al deze verklaringen juist zal zijn. Het onjuiste gedrag van perifere sterren kan worden verklaard door in twee richtingen te bewegen - door de wetten van Newton enigszins te corrigeren of door te erkennen dat er materie in de wereld is die verschilt van de onze, die we niet zien, omdat de deeltjes waaruit ze is samengesteld niet deelnemen aan elektromagnetische interactie. ze zenden geen licht uit en absorberen het niet, alleen door zwaartekracht in wisselwerking met onze wereld.
Had Newton het mis?
De eerste richting, dat wil zeggen de contra-Newtoniaanse correctie, ontwikkelde zich nogal traag. Toegegeven, in 1983 creëerde de Israëlische theoreticus Mordechai Milgrom de zogenaamde gemodificeerde Newtoniaanse mechanica, waarin kleine versnellingen iets anders reageren op een werkende kracht dan de manier waarop we op school werden onderwezen. Deze theorie vond veel navolging en werd al snel zo ver ontwikkeld dat de behoefte aan donkere materie verdween. Het is opmerkelijk dat Vera Rubin zelf, een wereldberoemde pionier op het gebied van onderzoek naar donkere materie, altijd de neiging heeft gehad om de wetten van Newton te wijzigen - het lijkt erop dat ze het idee van een stof die overvloedig is, maar die niemand ooit heeft gezien, gewoonweg niet leuk vond.
Promotie video:
De ongrijpbare watje
Er zijn veel kandidaten voor deeltjes van donkere materie, en voor de meeste is er een generaliserende en bijna betekenisloze naam "WIMPs" - dit is de Engelse afkorting WIMPs, gevormd uit de term "Weakly Interacting Massive Particles", of "zwak interacterende massieve deeltjes". Met andere woorden, dit zijn deeltjes die alleen deelnemen aan zwaartekracht en zwakke interacties - het effect ervan strekt zich uit tot afmetingen die veel kleiner zijn dan de afmetingen van de atoomkern. Het is op de zoektocht naar deze WIMP's als de meest suggestieve verklaring waarop de belangrijkste inspanningen van wetenschappers vandaag worden gericht.
WIMP-detectoren, vooral diegene die ze opvangen voor xenon, zijn in principe vergelijkbaar met neutrinovallen. Ooit werd zelfs aangenomen dat de neutrino de zeer ongrijpbare WIMP is. Maar de massa van dit deeltje bleek te klein - het is bekend dat 84,5% van alle materie in het heelal donkere materie is en volgens berekeningen zullen er niet zoveel neutrino's op deze massa zitten.
Het principe is simpel. Neem bijvoorbeeld xenon als de zwaarste van de edelgassen, gekoeld tot stikstoftemperaturen, en bij voorkeur lager, beschermd tegen onnodige 'gasten' zoals kosmische straling, er zijn veel fotocellen geïnstalleerd rond het xenonvat, en dit hele systeem bevindt zich diep onder de grond, gaat verder met wachten. Omdat je lang moet wachten - volgens berekeningen zou de lengte van een val met xenon, die in staat zal zijn om een WIMP die er doorheen gaat met een kans van 50%, 200 lichtjaar te zijn!
Met vangen wordt hier bedoeld ofwel de vlucht van de watje nabij het xenonatoom, en de vlucht op zo'n afstand waarop de zwakke interactie al werkt, ofwel een voltreffer in de kern. In het eerste geval zal het buitenste elektron van het xenonatoom uit zijn baan worden geslagen, wat zal worden geregistreerd door de verandering in lading, in het tweede geval zal het naar een ander niveau springen en onmiddellijk terugkeren naar 'huis' met de daaropvolgende emissie van een foton, dat vervolgens wordt geregistreerd door fotovermenigvuldigers.
Gevoel of fout?
"Simpel" is echter niet helemaal het juiste woord wanneer het wordt toegepast op WIMP-detectoren. Het is niet erg gemakkelijk en erg duur. Een van deze detectoren onder de ongecompliceerde naam Xenon werd geïnstalleerd in het ondergrondse Italiaanse laboratorium van Gran Sasso. Tot op heden is het twee keer gewijzigd en draagt het nu de naam Xenon1T. Het wordt grondig gereinigd van onzuiverheden die kunnen leiden tot signalen die lijken op signalen van donkere materie. Bijvoorbeeld van een van de typische verontreinigende stoffen - de radioactieve isotoop krypton-85. De inhoud ervan in commercieel xenon is slechts een paar delen per miljoen, maar bij het zoeken naar WIMP's is het volslagen smerigheid. Daarom, te beginnen met de tweede aanpassing van de installatie - Xenon100 - zuiveren natuurkundigen bovendien xenon, waardoor de concentratie van de verontreinigende stof wordt teruggebracht tot honderden delen per biljoen.
XENON100 detector
Foto: Wikimedia Commons
En toen ze de detector aanzetten, zeiden ze natuurlijk dat de dierbare "zo ongeveer" was. Tijdens de eerste observatiesessie van 100 dagen namen wetenschappers maar liefst drie impulsen op, die sterk leken op de signalen van vliegende WIMP's. Ze geloofden het zelf niet, hoewel ze het waarschijnlijk heel graag wilden geloven, maar het was 2011, al gekenmerkt door een sterke lekke band: natuurkundigen ontdekten dat neutrino's die tijdens een ander experiment vanuit CERN op hen afkwamen, sneller vliegen dan het licht. Nadat wetenschappers alles hadden gecontroleerd dat alleen kan worden geverifieerd, wendden ze zich tot de wetenschappelijke gemeenschap met het verzoek om te zien wat er mis ging. Collega's keken en konden geen fouten vinden, maar zeiden dat dit niet kon zijn, omdat het nooit zou kunnen zijn. En zo gebeurde het: het lek, zo bleek, was slechts één connector met een slecht contact, wat moeilijk op te merken was.
En nu, onder het gewicht van zo'n fiasco, stonden wetenschappers opnieuw voor een keuze. Als dit WIMPS zijn, dan is dit een gegarandeerde Nobelprijs en een onmiddellijke prijs. En indien niet? De tweede keer wilden ze niet onteerd worden, en ze begonnen te controleren en opnieuw te controleren. Het resultaat was dat twee van de drie signalen mogelijk parasitaire signalen zijn van achtergrondverontreinigende atomen, die niet volledig werden geëlimineerd. En het resterende signaal kwam helemaal niet in de statistieken terecht, dus het zou het beste zijn om het te vergeten en het niet meer te onthouden.
De detector zag "niets"
Een andere "zo ongeveer" klonk toen vertegenwoordigers van de samenwerking die werkten aan de meest gevoelige donkere materiedetector LUX (Large Underground Xenon), die zich bevindt in een verlaten goudmijn in South Dakota, aankondigden dat ze de kalibratie van de detector hadden gewijzigd. Daarna hadden ze hoop, grenzend aan zekerheid, dat het langverwachte "zo ongeveer" eindelijk zou uitkomen. De LUX-detector, die vanaf de allereerste dag van zijn bestaan veel gevoeliger was dan de Italiaanse, is twee keer zo gevoelig voor ernstige WIMP's en 20 keer zo gevoelig voor longen.
LUX-detector
Foto: Grote ondergrondse xenondetector
Tijdens de eerste observatiesessie van 300 dagen, die begon in de zomer van 2012 en eindigde in april 2013, zag LUX niets, zelfs niet als het tenminste uit beleefdheid iets had kunnen zien. Zoals Daniel McKinsey, een lid van de LUX-samenwerking aan de Yale University, zei: "We zagen niets, maar we zagen dit 'niets' beter dan wie dan ook."
Als gevolg van dit "niets" werden verschillende veelbelovende versies tegelijk volledig weggegooid, vooral met betrekking tot "lichte" WIMP's. Wat niet bijdroeg aan de medewerking van sympathisanten uit degenen wier versies door LU werden afgewezen. Collega's vielen hen aan met een hele reeks verwijten dat ze het experiment niet correct konden opzetten - de reactie is vrij standaard en verwacht.
Natuurkundigen weten absoluut niets over de massa WIMP's - als ze überhaupt bestaan. Nu wordt het zoeken uitgevoerd in het massabereik van 1 tot 100 GeV (de protonenmassa is ongeveer 1 GeV). Veel wetenschappers dromen van WIMP's met een massa van honderd protonen, aangezien deeltjes met zo'n massa worden voorspeld door de supersymmetrische theorie, die in feite nog geen theorie is geworden, maar slechts een heel mooi, maar speculatief model is en waarvan velen het lot voorspellen van de opvolger van het Standaardmodel. Dit zou een echt geschenk zijn voor aanhangers van supersymmetrie, vooral nu het experiment bij de Large Hadron Collider nog geen van de voorspelde deeltjes heeft geregistreerd.
De tweede observatiesessie op de LUX-detector, die volgend jaar zal eindigen, zou, dankzij de kalibraties die al in het begin zijn genoemd, de gevoeligheid van de detector aanzienlijk moeten verhogen en helpen om watjes van verschillende massa's te vangen (voorheen was LUX afgestemd op de hoogste gevoeligheid van ongeveer 34 GeV), hun signalen detecteren waar ze werden voorheen genegeerd. Met andere woorden, volgend jaar wacht ons weer een en zeer beslissend "zowat".
Als dit "zo ongeveer" niet gebeurt, dan is het ook oké: de volgende LZ-detector, die veel gevoeliger is, wordt al voorbereid om LUX te vervangen. Het zal naar verwachting enkele jaren later worden gelanceerd. Tegelijkertijd bereidt de DARWIN-samenwerking een "monster" voor met een capaciteit van 25 ton xenon, waarvoor LUX met zijn 370 kg gas "blind" en nergens voor overbodig lijkt. Het lijkt er dus op dat wimpam - als ze bestaan - gewoon nergens te verbergen zullen hebben, en vroeg of laat zullen ze zich laten voelen. Natuurkundigen geven ze hiervoor niet meer dan tien jaar.
Watje of sliertje?
Als de watjes blijven volharden in hun ongrijpbaarheid, dan is er nog steeds een axion, die ook moet worden achtervolgd. Axions zijn hypothetische deeltjes die in 1977 zijn geïntroduceerd door de Amerikaanse natuurkundigen Roberto Peccei en Helen Quinn om de kwantumchromodynamica te ontdoen van enige symmetriebreuk. Dit zijn in feite ook Wimps, die behoren tot de subcategorie van lichtere slierten (Weakly Interacting Slim Particles), maar ze hebben één kenmerk: in een sterk magnetisch veld moeten ze fotonen opwekken waarmee ze gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd.
Tegenwoordig zijn maar weinig mensen geïnteresseerd in axions, en zelfs niet omdat mensen er niet te veel in geloven, en niet omdat hun registratie gepaard gaat met een aantal speciale moeilijkheden, het is gewoon dat hun zoektocht gepaard gaat met te hoge kosten. Om het axion te laten beginnen met het omzetten van virtuele fotonen in echte, zijn zeer sterke magnetische velden nodig - interessant genoeg bestaan er al magneten met de vereiste velden. De markt biedt 18 Tesla-magneten, er zijn experimentele 32 Tesla-magneten, maar dit zijn erg dure machines en niet gemakkelijk te krijgen. Bovendien geloven degenen van wie de financiering van dergelijk onderzoek afhangt, niet echt in de realiteit van het bestaan van axions. Misschien zal de noodzaak om op een dag naar axions te zoeken deze financiële moeilijkheden overkomen, en tegen die tijd kunnen de magneten goedkoper worden.
Ondanks het schijnbaar eindeloze en vruchteloze streven naar WIMP's, gaat het eigenlijk goed. Om te beginnen moet je de eenvoudigste en meest voor de hand liggende versie uitwerken: watjes. Wanneer ze worden gevonden en hun massa bekend is, zullen natuurkundigen moeten nadenken over wat deze WIMP's zijn - zijn het echt zware neutrino's, een kwantumset van superpartners van het foton, het Z-boson en het Higgs-deeltje, zoals de meeste natuurkundigen nu aannemen, of zoiets - iets anders. Als WIMP's niet in het hele bereik van mogelijke massa's worden gevonden, zal het nodig zijn om alternatieve opties te overwegen - zoek bijvoorbeeld op andere manieren naar WIMP's. Als dit bijvoorbeeld het beroemde Majorana-fermion is, dat zelf een antideeltje is, dan zouden, wanneer ze elkaar ontmoeten, dergelijke fermionen moeten vernietigen, in straling veranderen en een herinnering over zichzelf achterlaten in de vorm van een overmaat aan fotonen.
Als er geen manier is om WIMP's te detecteren, wat eigenlijk onwaarschijnlijk lijkt, dan is het mogelijk om de opties met aangepaste Newtoniaanse mechanica van naderbij te bekijken. Het zal ook mogelijk zijn om te kijken (het is nog niet duidelijk hoe) een volledig fantastische versie die verband houdt met de zeven extra dimensies die worden voorspeld door de snaartheorie en die voor ons verborgen zijn, omdat ze zijn opgerold tot bollen van Planck-formaat. Volgens sommige modellen van een dergelijke multidimensionaliteit dringt de zwaartekracht door in elk van deze dimensies en is daarom zo zwak in onze driedimensionale wereld. Dit verhoogt echter de mogelijkheid dat donkere materie verborgen is in deze opgerolde dimensies en zich alleen manifesteert dankzij de alomtegenwoordige zwaartekracht. Er zijn ook exotische verklaringen voor donkere materie geassocieerd met topologische defecten van kwantumvelden,die tijdens de oerknal ontstond, is er ook een hypothese die donkere materie verklaart door de fractaliteit van ruimte-tijd, en het lijdt geen twijfel dat, indien nodig, theoretische fysici met iets anders zullen komen dat niet minder origineel is. Het belangrijkste is om de enige juiste uitleg aan deze lijst toe te voegen.