Het standaardmodel van kosmologie vertelt ons dat slechts 4,9% van het universum bestaat uit gewone materie (van wat we kunnen zien), terwijl de rest voor 26,8% uit donkere materie en 68,3% uit donker bestaat. energie. Zoals de naam van deze concepten suggereert, kunnen we ze niet zien, dus moet hun bestaan volgen uit theoretische modellen, observaties van de grootschalige structuur van het heelal en de voor de hand liggende gravitatie-effecten die optreden op zichtbare materie.
Sinds hier voor het eerst over werd gesproken, is er zeker geen gebrek aan speculatie over hoe donkere materiedeeltjes eruit zien. Nog niet zo lang geleden begonnen veel wetenschappers te denken dat donkere materie bestaat uit zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes (WIMP's, WIMP's), die ongeveer 100 keer de massa van een proton zijn, maar op dezelfde manier samenwerken als neutrino's. Niettemin hebben alle pogingen om WIMP's te vinden met behulp van deeltjesversneller-experimenten niets opgeleverd. Daarom begonnen wetenschappers mogelijke alternatieven voor de samenstelling van donkere materie uit te zoeken.
Moderne kosmologische modellen gaan er vaak van uit dat de massa van donkere materie binnen 100 GeV (giga-elektronvolt) ligt, wat overeenkomt met de massalimieten van veel andere deeltjes die interageren met behulp van een zwakke kernkracht. Het bestaan van een dergelijk deeltje zou overeenkomen met een supersymmetrische uitbreiding van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Bovendien wordt aangenomen dat dergelijke deeltjes geboren zouden moeten zijn in een heet, dicht, vroeg heelal, met de massadichtheid van materie, die tot op de dag van vandaag onveranderd is gebleven.
Lopende experimenten om WIMP's te identificeren hebben echter geen concreet bewijs gevonden voor het bestaan van dergelijke deeltjes. Deze omvatten zoekopdrachten naar WIMP-annihilatieproducten (gammastraling, neutrino's en kosmische straling) in nabije sterrenstelsels en clusters, evenals experimenten met directe deeltjesdetectie met behulp van supercolliders zoals de LHC.
Door supersymmetrie vernietigen watjes onderling, waardoor een cascade van deeltjes en straling ontstaat, waaronder middelzware gammastraling
Omdat ze niets vonden, besloten veel wetenschappers af te stappen van het WIMP-paradigma en elders naar donkere materie te zoeken. Een van die groepen kosmologen CERN en CP3-Origins in Denemarken heeft onlangs een studie gepubliceerd die aantoont dat donkere materie veel zwaarder en zwakker kan zijn dan eerder werd gedacht.
Een van de leden van de CP-3 Origins Research Group, Dr. McCullen Sandora, sprak over de inspanningen van zijn team:
Promotie video:
“We kunnen het WIMP-scenario nog niet uitsluiten, maar elk jaar vermoeden we meer en meer dan dat we niets hebben gezien. Bovendien lijdt de gebruikelijke zwakke schaal van de fysica aan een hiërarchisch probleem. Het is onduidelijk waarom alle deeltjes die we kennen zo licht zijn, vooral als je kijkt naar de natuurlijke zwaartekrachtschaal, de Planck-schaal, die ongeveer 1019 GeV is. Dus als donkere materie dichter bij de Planck-schaal zou zijn, zou het niet worden beïnvloed door het hiërarchieprobleem, en dat zou ook verklaren waarom we geen handtekeningen hebben gezien die verband houden met WIMP's."
Met behulp van een nieuw model dat ze Planck's Interacting Dark Matter (PIDM) noemen, onderzoeken wetenschappers een bovengrens voor de massa van donkere materie. Terwijl de WIMP's de massa van donkere materie aan de bovenkant van de elektrozwakke schaal plaatsen, stelde het Deense onderzoeksteam van Martias Garney, McCullen Sandora en Martin Slot een deeltje voor met een massa die zich op een geheel andere natuurlijke schaal bevindt - de Planck-schaal.
Op de schaal van Planck is één massa-eenheid gelijk aan 2,17645 x 10-8 kilogram - ongeveer een microgram of 1019 keer de massa van een proton. Bij die massa is elke PIDM in wezen zo zwaar als een deeltje maar kan zijn voordat het een miniatuurzwart gat wordt. De groep suggereerde ook dat deze PIDM-deeltjes alleen gravitationeel in wisselwerking staan met gewone materie, en dat veel van hen werden gevormd in het zeer vroege heelal tijdens het tijdperk van sterke opwarming - een periode die begon aan het einde van het inflatoire tijdperk, ergens tussen 10-36 en 10- 33 of 10-32 seconden na de oerknal.
Dit tijdperk wordt zo genoemd omdat tijdens het opblazen wordt aangenomen dat de ruimtetemperaturen 100.000 keer zijn gedaald. Toen de inflatie eindigde, keerden de temperaturen terug naar het niveau van vóór de inflatie (ongeveer 1027 Kelvin). Tegen die tijd is het grootste deel van de potentiële energie van het inflatieveld vervallen in deeltjes van het standaardmodel, dat het heelal vulde, en onder hen - donkere materie.
De nieuwe theorie heeft natuurlijk ook gevolgen voor kosmologen. Om dit model te laten werken, moest de temperatuur van het verhittingstijdperk bijvoorbeeld hoger zijn dan momenteel wordt aangenomen. Bovendien zou een warmere verwarmingsperiode ook meer primaire zwaartekrachtgolven creëren die zouden worden gereflecteerd in de kosmische microgolfachtergrond (CMB).
"Deze hoge temperatuur vertelt ons twee interessante dingen over inflatie", zegt Sandora. - Als donkere materie PIDM is: ten eerste verliep de inflatie met zeer hoge energieën, die niet alleen schommelingen in de temperatuur van het vroege heelal zouden veroorzaken, maar ook in de ruimte-tijd zelf, in de vorm van zwaartekrachtgolven. Ten tweede vertelt het ons dat de energie van inflatie extreem snel in materie had moeten vervallen, want als het lang zou duren, zou het universum kunnen afkoelen tot het punt waarop het helemaal geen PIDM meer zou kunnen produceren.
Het bestaan van deze gravitatiegolven kan worden bevestigd of uitgesloten in toekomstige studies van de kosmische microgolfachtergrond. Dit is buitengewoon interessant nieuws, aangezien de recente ontdekking van zwaartekrachtgolven naar verwachting zal leiden tot hernieuwde inspanningen om oergolven te detecteren die hun oorsprong vinden in de schepping van het universum.
Zoals Sandora uitlegde, biedt dit alles een duidelijk win-winscenario voor wetenschappers, aangezien de nieuwste kandidaat voor donkere materie in de nabije toekomst zal worden ontdekt of weerlegd.
“Ons scenario maakt een ijzersterke voorspelling: we zullen zwaartekrachtgolven zien in de volgende generatie experimenten met de kosmische microgolfachtergrond. Dat wil zeggen, dit is een win-win: als we ze zien, is het prima, en als we ze niet zien, dan weten we dat donkere materie geen PIDM is, wat betekent dat we een deel van zijn interactie met gewone materie moeten verwachten. Als dit alles in de komende tien jaar gebeurt, kunnen we alleen maar ongeduldig wachten."
Sinds Jacobus Kaptein in 1922 voor het eerst het bestaan van donkere materie suggereerde, hebben wetenschappers gezocht naar direct bewijs van het bestaan ervan. De een na de ander werden kandidaten onder de deeltjes - van gravitino tot axionen - voorgesteld, uitgezeefd en gingen het rijk van de eeuwige zoektocht in. Als deze laatste kandidaat ondubbelzinnig wordt ontkend of bevestigd, is die optie al niet slecht.
Als het wordt bevestigd, zullen we tenslotte een van de grootste kosmologische mysteries aller tijden oplossen. Laten we een stap dichterbij komen om het universum te begrijpen en hoe zijn mysterieuze krachten met elkaar omgaan.
