Australische wetenschappers maken vorderingen bij het oplossen van een van de grootste mysteries van het universum: de aard van onzichtbare donkere materie.
Het ORGAN-experiment, de eerste grote detector van donkere materie in Australië, voltooide onlangs een zoektocht naar een hypothetisch deeltje genaamd axion - een populaire kandidaat onder theorieën die donkere materie proberen te verklaren.
ORGAN heeft nieuwe limieten gesteld aan de mogelijke kenmerken van axionen en hielp zo de zoektocht ernaar te verkleinen. Maar voordat we op de zaken vooruit lopen...
Laten we beginnen met een verhaal
Ongeveer 14 miljard jaar geleden werden alle kleine stukjes materie - de fundamentele deeltjes die later jou, de planeet en de melkweg zouden worden - samengeperst tot één zeer dicht, heet gebied.
Toen gebeurde de oerknal en vloog alles uit elkaar. De deeltjes verenigden zich tot atomen, die uiteindelijk samenklonterden om sterren te maken, die explodeerden en allerlei exotische materie creëerden.
Na een paar miljard jaar kwam de aarde, die uiteindelijk krioelde van de kleine dingen die mensen werden genoemd. Cool verhaal, toch? Blijkt dat het niet het hele verhaal is; het is nog niet eens de helft.
Mensen, planeten, sterren en sterrenstelsels zijn allemaal gemaakt van gewone materie. Maar we weten dat gewone materie slechts een zesde van alle materie in het universum uitmaakt.
De rest is gemaakt van wat we donkere materie noemen. De naam vertelt je bijna alles wat we erover weten. Het straalt geen licht uit (dus we noemen het donker), en het heeft massa (dus we noemen het materie).
Als het onzichtbaar is, hoe weten we dan dat het er is?
Wanneer we observeren hoe dingen in de ruimte bewegen, ontdekken we keer op keer dat we onze waarnemingen niet kunnen verklaren als we alleen kijken naar wat we kunnen zien.
Draaiende sterrenstelsels zijn een goed voorbeeld. De meeste sterrenstelsels draaien met snelheden die niet kunnen worden verklaard door de aantrekkingskracht van alleen zichtbare materie.
Er moet dus donkere materie in deze sterrenstelsels zijn, die voor extra zwaartekracht zorgt en ze sneller laat draaien - zonder dat er delen de ruimte in worden geslingerd. We denken dat donkere materie sterrenstelsels letterlijk bij elkaar houdt.
Er moet dus een enorme hoeveelheid donkere materie in het universum zijn, die aan alles trekt wat we kunnen zien. Het gaat ook door jou heen, als een soort kosmische geest. Je voelt het gewoon niet.
Hoe konden we het detecteren?
Veel wetenschappers geloven dat donkere materie kan bestaan uit hypothetische deeltjes die axions worden genoemd. Axions werden oorspronkelijk voorgesteld als onderdeel van een oplossing voor een ander groot probleem in de deeltjesfysica, het sterke CP-probleem (waar we een heel artikel over zouden kunnen schrijven).
Hoe dan ook, nadat het axion was voorgesteld, realiseerden wetenschappers zich dat het deeltje onder bepaalde omstandigheden ook donkere materie kan vormen. Dat komt omdat van axionen wordt verwacht dat ze zeer zwakke interacties hebben met gewone materie, maar toch enige massa hebben: de twee voorwaarden die nodig zijn voor donkere materie.
Dus hoe ga je te werk bij het zoeken naar axions?
Omdat men denkt dat donkere materie overal om ons heen aanwezig is, kunnen we hier op aarde detectoren bouwen. En gelukkig voorspelt de theorie die axionen voorspelt ook dat axionen onder de juiste omstandigheden kunnen worden omgezet in fotonen (lichtdeeltjes).
Dat is goed nieuws, want we zijn goed in het detecteren van fotonen. En dat is precies wat ORGAN doet. Het creëert de juiste omstandigheden voor axion-foton-conversie en zoekt naar zwakke fotonsignalen - kleine lichtflitsen die worden gegenereerd door donkere materie die door de detector gaat.
Dit soort experiment wordt een axionhaloscoop genoemd en werd voor het eerst voorgesteld in de 1980s. Er zijn er tegenwoordig een paar in de wereld, elk op een belangrijke manier iets anders.
Een licht schijnen op donkere materie
Aangenomen wordt dat een axion in een foton wordt omgezet in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld. In een typische haloscoop wekken we dit magnetische veld op met behulp van een grote elektromagneet, een supergeleidende solenoïde.
In het magnetische veld plaatsen we een of meerdere holle metalen kamers, die bedoeld zijn om de fotonen op te sluiten en ze naar binnen te laten stuiteren, waardoor ze gemakkelijker te detecteren zijn.
Er is echter één hapering. Alles wat een temperatuur heeft, zendt constant kleine willekeurige lichtflitsen uit (daarom werken warmtebeeldcamera's). Deze willekeurige emissies, of ruis, maken het moeilijker om de zwakke signalen van donkere materie te detecteren waarnaar we op zoek zijn.
Om dit te omzeilen, hebben we onze resonator in een verdunningskoelkast geplaatst. Deze fraaie koelkast koelt het experiment af tot cryogene temperaturen, zo'n -273°C, wat het geluid sterk vermindert.
Hoe kouder het experiment is, hoe beter we kunnen "luisteren" naar zwakke fotonen die worden geproduceerd tijdens de conversie van donkere materie.
Massaregio's targeten
Een axion van een bepaalde massa wordt omgezet in een foton met een bepaalde frequentie of kleur. Maar aangezien de massa van axionen onbekend is, moeten experimenten hun zoektocht richten op verschillende regio's, met de nadruk op die gebieden waar het waarschijnlijker is dat donkere materie bestaat.
Als er geen signaal van donkere materie wordt gevonden, is het experiment ofwel niet gevoelig genoeg om het signaal boven de ruis te horen, ofwel is er geen donkere materie in het corresponderende axion-massagebied.
Wanneer dit gebeurt, stellen we een "uitsluitingslimiet" in - wat gewoon een manier is om te zeggen "we hebben geen donkere materie gevonden in dit massabereik, tot dit niveau van gevoeligheid." Dit vertelt de rest van de onderzoeksgemeenschap op het gebied van donkere materie om hun zoekopdrachten ergens anders te richten.
ORGAN is het meest gevoelige experiment in het beoogde frequentiebereik. De recente run heeft geen signalen van donkere materie gedetecteerd. Dit resultaat heeft een belangrijke uitsluitingslimiet ingesteld voor de mogelijke kenmerken van axions.
Dit is de eerste fase van een meerjarenplan om axions te zoeken. We bereiden momenteel het volgende experiment voor, dat gevoeliger zal zijn en gericht zal zijn op een nieuw, nog onontgonnen massabereik.
Maar waarom is donkere materie belangrijk?
Ten eerste weten we uit de geschiedenis dat wanneer we investeren in fundamentele fysica, we uiteindelijk belangrijke technologieën ontwikkelen. Alle moderne computers zijn bijvoorbeeld afhankelijk van ons begrip van de kwantummechanica.
We zouden nooit elektriciteit hebben ontdekt, of radiogolven, als we niet op zoek waren naar dingen die op dat moment vreemde fysieke verschijnselen leken te zijn die ons begrip te boven ging. Donkere materie is hetzelfde.
Denk aan alles wat mensen hebben bereikt door slechts een zesde van de materie in het universum te begrijpen - en stel je voor wat we zouden kunnen doen als we de rest zouden ontsluiten.
Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.
Krediet van het beeld: Illustris Samenwerking
