donkere materie

Het universum zit vol met donkere materie, maar niemand weet waar het van gemaakt is. Een natuurkundige van de Universiteit van Oslo is nu met een wiskundige verklaring gekomen, waarmee het mysterie mogelijk voor eens en altijd opgelost kan worden.

Hoewel donkere materie onzichtbaar is, weten natuurkundigen en astronomen dat het bestaat. Zonder donkere materie is het onmogelijk om te verklaren hoe de zichtbare dingen in het heelal aan elkaar gelijmd zijn. Natuurkundigen en astronomen vermoeden dat zo’n tachtig procent van alle massa in het heelal uit donkere, onzichtbare materie bestaat. Donkere materie kan de bewegingen van sterren verklaren, evenals de omwentelingssnelheid van sterrenstelsels. Maar hoewel we kunnen uitrekenen hoeveel donkere materie er moet zijn, hebben we geen idee wat donkere materie eigenlijk is. Wat we wel weten is dat donkere materie-deeltjes erg massief moeten zijn, of erg talrijk moeten zijn. Neutrino’s voldoen aan alle vereisten voor donkere materie. Ze zijn niet erg massief, maar ze zijn onvoorstelbaar talrijk. Helaas is de massa van het neutrino zó laag, dat deze deeltjes niet meer dan een paar procent van donkere materie uit kunnen maken.

Een aanwijzing dat donkere materie bestaat, vinden we in spiraalvormige sterrenstelsels. Hun buitengebieden draaien sneller dan men op basis van de bekende massa zou verwachten. Er moest dan ook wel nog een onzichtbare, onbekende massa zijn: donkere materie. Afbeelding: PD-USGOV.

Een aanwijzing dat donkere materie bestaat, vinden we in spiraalvormige sterrenstelsels. Hun buitengebieden draaien sneller dan men op basis van de bekende massa zou verwachten. Er moest dan ook wel nog een onzichtbare, onbekende massa zijn: donkere materie. Afbeelding: PD-USGOV.

Gravitino’s
De Noorse natuurkundige Are Raklev is met een nieuw idee gekomen: gravitino’s. Wat is een gravitino precies? Houdt u vast: dat is het hypothetische partnerdeeltje van het hypothetische graviton, de overbrenger van de zwaartekracht. “Het is dus onmogelijk om een deeltje te voorspellen dat meer hypothetisch is dan dit,” stelt Raklev in het blad Apollon, uitgegeven door de universiteit van Oslo. Maar om te begrijpen waarom Raklev denkt dat donkere materie vooral uit gravitino’s bestaat, moeten we een paar stappen terug zetten.

Stap 1: supersymmetrie
Natuurkundigen zijn aan het uitzoeken of de natuur supersymmetrisch is (of niet). Supersymmetrie betekent dat er een symmetrie bestaat tussen materie en fundamentele natuurkrachten. Voor iedere soort elektron en quark bestaat er een overeenkomend supersymmetrisch (en supermassief) partnerdeeltje. Als ze bestaan, dan moeten de supersymmetrische deeltjes bij de oerknal ontstaan zijn. Als sommige hiervan het overleefd hebben, dan zouden zij de bron van donkere materie kunnen vormen. De supersymmetrische partner van het graviton is het gravitino. Een graviton is het deeltje dat de zwaartekracht overbrengt, net zoals het foton (lichtdeeltje) de elektromagnetische kracht overbrengt. Hoewel gravitonen massaloos zijn, zouden gravitino’s (als ze bestaan) juist enorm massief moeten zijn. Als de natuur supersymmetrisch is, en als gravitonen bestaan, dan moéten gravitino’s bestaan. Er is helaas een grote MAAR: natuurkundigen kunnen het verband tussen gravitonen en gravitino’s niet aantonen voordat zij alle fundamentele natuurkrachten hebben verenigd.

Een magneet: supersterk! Foto: Aney (via Wikimedia Commons).

Een magneet: supersterk! Foto: Aney (via Wikimedia Commons).

Stap 2: fundamentele natuurkrachten
Eén van de belangrijkste drijfveren voor natuurkundigen is het verenigen van alle natuurkrachten in één enkele theorie. Natuurkundigen hebben als eerste ontdekt dat elektriciteit en magnetisme tot één enkele natuurkracht behoren: elektromagnetisme. Twee andere fundamentele natuurkrachten zijn de sterke en zwakke kernkrachten. De zwakke kernkracht is onder meer verantwoordelijk voor radioactiviteit. De sterke kernkracht is tien miljard keer sterker en bindt neutronen en protonen aan elkaar. In de jaren ’70 van de vorige eeuw is elektromagnetisme verenigd met beide kernkrachten in een theorie die het standaardmodel wordt genoemd. De vierde natuurkracht is zwaartekracht. Hoewel het ontzettend pijnlijk is om van een trap te vallen, is zwaartekracht toch echt de zwakste natuurkracht. Dit kan gemakkelijk gedemonstreerd worden: leg een spijker op tafel en houd er een magneet boven. De spijker zal naar de magneet bewegen: logisch, zou u zeggen. Maar: dat betekent wél dat de elektromagnetische kracht van die ene magneet sterker is dan de zwaartekracht van de gehéle aarde! Het probleem is dat natuurkundigen niet in staat zijn geweest om de zwaartekracht te verenigen met de overige natuurkrachten. Zodra ze dat voor elkaar krijgen, is het mogelijk om alle mogelijk reacties tussen alle mogelijke deeltjes te beschrijven. Natuurkundigen noemen dit de theorie van alles. “Als we de zwaartekracht willen koppelen aan de overige natuurkrachten, dan moeten we de zwaartekracht begrijpen als kwantumtheorie,” aldus Raklev. “Dat betekent dat we een theorie nodig hebben waarbij het deeltje “graviton” onderdeel vormt van de atoomkern.” Onderzoekers zijn druk aan het zoeken naar sporen van zowel supersymmetrie als de Theorie van Alles. Het ontdekken van het graviton zou een geweldige stap in de goede richting zijn.

Het onthullen van donkere materie
Het is ontzettend moeilijk om onderzoek te doen naar donkere materie, maar dat had de oplettende lezer vast al begrepen. Dat komt doordat donkere materie geen enkele elektromagnetische relatie heeft met normale materie. Een voorbeeld van donkere materie zijn neutrino’s, maar die maken slechts een klein deel van donkere materie uit. Hoewel het niet mogelijk is om donkere materie te zien, racen er iedere seconde miljarden neutrino’s door uw lichaam. Aangezien ze geen enkele elektromagnetische interactie hebben met andere deeltjes, kunnen neutrino’s dwars door ons heen vliegen zonder opgemerkt te worden door detectoren. Dit is waar supersymmetrie om de hoek komt kijken. “Als supersymmetrie klopt, dan kunnen natuurkundigen verklaren waarom er donkere materie is. Dat is nou het mooie van mijn beroep”, lacht Raklev. “Supersymmetrie heeft de kracht om alles te vereenvoudigen. Als de theorie van alles bestaat, als het met andere woorden mogelijk is om alle natuurkrachten te verenigen, dan zouden gravitino’s moeten bestaan”. De gravitino’s zijn direct na de oerknal ontstaan. “Vlak na de oerknal bestond het heelal uit een soep van quarks en gluonen (de overbrengers van de sterke kernkracht). Als gluonen in botsing komen met andere gluonen, worden gravitino’s geproduceerd. Dus we hebben een verklaring waarom gravitino’s bestaan,” aldus Raklev.

Quarks: hoe zit het ook alweer? Hier een geheugensteuntje: de opbouw van materie. Foto: Joël (via Wikimedia Commons).

Quarks: hoe zit het ook alweer? Hier een geheugensteuntje: de opbouw van materie. Foto: Joël (via Wikimedia Commons).

Veranderende levensduur
Natuurkundigen hebben gravitino’s altijd als probleem beschouwd. Ze hebben altijd gedacht dat de theorie van supersymmetrie niet werkt omdat er te veel gravitino’s zijn. Natuurkundigen hebben daarom getracht om gravitino’s uit hun modellen te elimineren. Raklev en zijn kornuiten hebben gravitino’s echter met open armen ontvangen. Ze hebben een model gevonden waarbij donkere materie is opgebouwd uit gravitino’s. Probleem is echter dat gravitino’s niet stabiel kunnen zijn. Vandaar dat Raklev heeft voorgesteld dat donkere materie niet stabiel is, maar wel een zeer lange levensduur heeft. In oudere modellen is donkere materie altijd ‘eeuwig’ geweest. Dat betekent dat gravitino’s een vervelend onderdeel van supersymmetrie hebben gevormd. In het nieuwe model van Raklev hebben gravitino’s een niet-eeuwige levensduur. Desondanks is de gemiddelde levensduur van een gravitino erg lang, zelfs langer dan de leeftijd van het heelal. Er is echter een groot verschil tussen een eeuwige levensduur en een levensduur van meer dan 15 miljard jaar. Met een eindige levensduur moeten gravitino’s omgezet worden in andere deeltjes. Het is precies dit omzettingsproces (vervalproces) dat meetbaar zou moeten zijn. “We geloven dat donkere materie voor minstens negentig procent uit gravitino’s bestaat. Dit blijkt gewoon uit zeer robuuste wiskunde. We zijn speciale modellen aan het ontwikkelen waarmee de consequenties van deze theorieën berekend kunnen worden, waardoor we kunnen voorspellen hoe deeltjes zich moeten gedragen. Dit kan dan met experimenten bevestigd worden”.

De Fermi Gamma-ray Space Telescope. Afbeelding: NASA.

De Fermi Gamma-ray Space Telescope. Afbeelding: NASA.

Toetsen
Onderzoekers proberen nu experimenten te ontwikkelen om de beweringen van Raklev te toetsen. Bovendien zal men een verklaring moeten vinden voor het feit dat de CERN-experimenten in Zwitserland geen enkel bewijs hebben gevonden voor supersymmetrische deeltjes. Het zou echter mogelijk moeten zijn om bewijs te vinden voor gravitino’s met behulp van een ruimtesonde. De simpelste manier om onzichtbare deeltjes te observeren is door te bestuderen wat er gebeurt als twee deeltjes uit het heelal met elkaar in botsing komen en omgezet worden in andere deeltjes, zoals fotonen of antimaterie. Hoewel dit soort botsingen zeldzaam zijn, is er zoveel donkere materie dat er alsnog een significant aantal fotonen moet worden geproduceerd. Probleem is echter dat gravitino’s ook nauwelijks op elkaar reageren, en dus nooit in botsing komen met elkaar. Desondanks is er nog hoop: gravitino’s zijn niet honderd procent stabiel. Ze worden op een gegeven moment omgevormd tot iets anders. We kunnen voorspellen hoe het signaal van een omgevormd gravitino eruit ziet. Het verval produceert een kleine elektromagnetische golf, gammastraal genaamd.

NASA’s Fermi-telescoop is momenteel gammastralen aan het meten. Een aantal groepen van wetenschappers zijn de gegevens nu aan het analyseren. Tot dit moment heeft men slechts ruis opgevangen. Er is echter één groep die beweert een overschot aan gammastralen te hebben gevonden vanuit het galactische centrum. “Hun observaties passen in onze modellen”, zegt de man achter het ingewikkelde wiskundige model van donkere materie, professor in theoretische deeltjesfysica: Are Raklev.