In een nieuw paper gebruiken onderzoekers het feit dat er nog nooit iemand door donkere materie gedood is om voorzichtige conclusies te trekken over wat donkere materie kan zijn.

Naar schatting bestaat het universum voor zo’n vijf procent uit zichtbare materie. Daarnaast zou het universum voor 70% zijn opgebouwd uit donkere energie: de nog altijd mysterieuze drijvende kracht achter de versnelde uitdijing van het heelal. De overige 25% is donkere materie. Deze eveneens mysterieuze materie is niet alleen onzichtbaar, maar gaat ook nauwelijks de interactie aan met andere materie. Deze twee kenmerken maken het lastig om donkere materie te detecteren en hebben natuurkundigen er tot op heden van weerhouden om de samenstelling van donkere materie vast te stellen.

Macroscopische objecten
En dus is nog altijd onduidelijk waar donkere materie nu precies uit bestaat. Wel zijn er verschillende theorieën over wat donkere materie is. “De meeste theorieën omtrent donkere materie nemen aan dat het bestaat uit elementaire deeltjes en de omvang van deze elementaire deeltjes is oneindig klein,” vertelt onderzoeker Robbert Scherrer. Een paar jaar geleden kwamen onderzoekers echter met een alternatieve theorie op de proppen. “In deze theorie bestaat donkere materie uit objecten met een ‘macroscopische’ omvang,” vertelt Scherrer. Je moet dan denken aan objecten die micrometers tot centimeters groot zijn en ook behoorlijk zwaar (in de orde van grammen of groter).


Begrenzen
De laatstgenoemde theorie is interessant, maar nog niet heel eenduidig. Afgaand op deze theorie kan donkere materie immers bestaan uit objecten van enkele micrometers of enkele centimeters groot. Dat is nogal een verschil. Scherrer en collega’s hebben nu echter een gedachte-experiment bedacht waarmee ze in staat zijn om de omvang van deze macroscopische objecten flink te begrenzen. Want, zo stellen de onderzoekers, als donkere materie uit wat grotere objecten is opgebouwd zou je – zeker met het oog op de concentratie donkere materie in het universum – mogen verwachten dat zulke objecten een keertje op een mens klappen. En zo’n aanvaring zou je afhankelijk van de massa en omvang van de macroscopische objecten mogelijk niet in de koude kleren gaan zitten; het zou zelfs kunnen resulteren in een verwonding die grofweg vergelijkbaar is met een schotwond. Het feit dat schijnbaar uit het niets ontstane schotwonden nog niet gerapporteerd zijn (zie kader), kan dan ook gebruikt worden om de omvang van de macroscopische objecten waaruit donkere materie wellicht bestaat, te begrenzen. “Wij stellen dat een bepaalde set massa’s en groottes voor donkere materie kunnen worden uitgesloten vanwege het feit dat er geen bewijs is dat deze deeltjes mensen hebben geraakt en gedood,” vertelt Scherrer aan Scientias.nl. “De waarden die we uit kunnen sluiten, zijn grofweg massa’s onder de 50 kilogram en dwarsdoorsnedes boven een vierkante micrometer. Dus macro’s (macroscopische objecten waaruit donkere materie is opgebouwd, red.) moeten of zwaarder zijn dat dit of een kleinere geometrische omvang hebben om kandidaten te kunnen zijn voor donkere materie.”

Om uit te kunnen sluiten dat donkere materie-kogels mensen al eens gedood hebben, bogen wetenschappers zich over de doodsoorzaken van mensen die in Canada, de VS en West-Europa woonden en in een periode van tien jaar zijn overleden. Afgaand op hoeveel donkere materie er in het universum te vinden is, verwachtten de onderzoekers in deze dataset bij een bepaalde omvang of gewicht van macro’s in ieder geval een paar doden door onverklaarbare schotwonden aan te treffen. Maar ze konden er geen één vinden.

Het klinkt misschien een beetje vreemd, dat macro’s zwaarder van 50 kilogram bij een gebrek aan onverklaarbare verwondingen nog altijd tot de mogelijkheden behoren. Je zou intuïtief misschien denken dat juist de zwaardere macro’s tijdens een botsing met een mens leiden tot ernstige verwondingen. Maar in werkelijkheid zit het net een beetje anders, zo legt Scherrer desgevraagd uit. “De massa van de macro’s heeft geen effect op de schade die ze aanbrengen,” legt Scherrer uit. “De energie die ze afgeven aan het menselijk lichaam is afhankelijk van de dwarsdoorsnede, maar niet van de massa.” Dat er desalniettemin toch een limiet kan worden gesteld aan de massa van macro’s (namelijk: zwaarder dan 50 kilogram) is te danken aan een eenvoudige redenering. Als donkere materie bestaat uit macro’s, dan is de massadichtheid van donkere materie te berekenen door de massa van 1 macro te vermenigvuldigen met het aantal macro’s per volume-eenheid. “Dus als we een kleinere massa nemen, dan hebben we meer macro’s per volume-eenheid nodig en wordt de kans dat één van deze macro’s een persoon raakt, groter. Als we een grotere massa veronderstellen, dan zijn er minder macro’s per eenheid van volume nodig en wordt het minder aannemelijk dat ze iemand raken.”
Dat ook macro’s groter dan een vierkante micrometer kunnen worden uitgesloten, heeft alles te maken met de energie die nodig is om een verwonding te veroorzaken; bij een grotere omvang ondervinden de macroscopische objecten zoveel weerstand dat ze zodanig worden afgeremd dat een botsing met het menselijk lichaam niet resulteert in een mogelijk fatale wond.

Het menselijk lichaam als een detector van donkere materie
Het onderzoek onthult niet direct wat donkere materie is, maar stelt wel grenzen aan de – nu nog hypothetische – macro’s. Deze benadering is niet nieuw, zo legt Scherrer uit. “Veel mensen hebben nagedacht over manieren om de omvang en massa van macro’s te beperken.” Zelfs in het paper dat de macro’s als oplossing voor het donkere materie-mysterie introduceerde, wordt al paal en perk gesteld aan de omvang en massa van de macroscopische objecten. En wel door te kijken hoe macro’s van verschillende groottes en massa’s de kosmische achtergrondstraling zouden verstoren. Doordat er niet zulke verstoringen in die kosmische achtergrondstraling zijn ontdekt, kunnen macro’s met een bepaalde omvang en massa al worden uitgesloten. Daarnaast voorspellen de onderzoekers in dat eerste paper dat macro’s van een bepaalde omvang en massa sporen achterlaten in mineralen op aarde. Aangezien we die sporen ook niet zien, kunnen macro’s van die omvang en massa eveneens worden uitgesloten. “Ons paper is het eerste onderzoek dat de effecten van donkere materie op het menselijk lichaam gebruikt om grenzen te stellen aan dit donkere materie-model,” aldus Scherrer. En wellicht heeft het menselijk lichaam als een detector van donkere materie nog een glansrijke toekomst voor zich. Zo sluiten Scherrer en collega’s niet uit dat ze er in de toekomst in slagen om – wederom met behulp van het menselijk lichaam – nog sterker paal en perk te stellen aan de omvang en massa van macro’s. Daartoe zou eerst vast moeten worden gesteld welke effecten de macro’s die na deze eerste studie nog kandidaat zijn voor donkere materie hebben op het menselijk lichaam. Vervolgens kan er actief naar die effecten worden gezocht.


Of macro’s uiteindelijk de oplossing zullen zijn voor het donkere materie-mysterie blijft in nevelen gehuld. De elementaire deeltjes zijn immers ook nog steeds in de race. Scherrer is hoe dan ook hoopvol dat het complete mysterie op korte termijn wordt opgelost. “Ik werk al sinds halverwege de jaren tachtig aan donkere materie en ik had echt gedacht dat we het tegen deze tijd wel ontdekt zouden hebben. Ik ben hoopvol dat het nog in mijn leven wordt opgelost, anders zou ik echt heel teleurgesteld zijn.” Het theoretische onderzoek van Scherrer en collega’s vormt als het gaat om het vinden van de oplossing van het donkere materie-mysterie echter maar een deel van de puzzel, zo benadrukt Scherrer. “Theoretische onderzoeken zoals het onze kunnen zeker interessante ideeën aankaarten waar we naar kunnen kijken, maar uiteindelijk zullen degenen die er daadwerkelijk mee experimenteren – zoals altijd – het laatste woord hebben.”