Mogelijk kunnen we dit nu nog hypothetische deeltje met behulp van de aarde opsporen.

Bijna een kwart van het universum staat letterlijk in de schaduw. Volgens verschillende theorieën bestaat namelijk zo’n 25,8 procent van het heelal uit donkere materie. Deze materie is niet alleen onzichtbaar, maar gaat ook nauwelijks de interactie aan met andere materie. Het houdt de gemoederen dan ook goed bezig. Want onderzoekers zijn er enorm op gespitst om die ene vraag te beantwoorden: waar bestaat donkere materie uit?

Waarom denken onderzoekers dat er donkere materie is?
Processen in de kosmos kunnen niet volledig worden verklaard door normale materie. Een voorbeeld hiervan zijn sterrenstelsels. Deze roteren namelijk met een enorme snelheid. Afgaand op wat je kunt zien zou je verwachten dat ze uit elkaar vliegen. De zichtbare materie in het universum is zogezegd niet voldoende om de sterrenstelsel bij elkaar te houden. Toch houden sterrenstelsels zich staande. Daarom moet er ‘iets’ zijn dat de sterrenstelsels extra massa geeft en ze bij elkaar houdt. Tot nu toe weten we echter niet waar de rest van de massa van het universum uit bestaat, ondanks talloze suggesties. De aard van donkere materie is daarom een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de kosmologie.

Nieuwe kandidaat
In een nieuwe studie stellen onderzoekers een nieuwe kandidaat aan ons voor: de zogenoemde ‘superzware gravitino’. “Er zijn veel andere kandidaten op de markt zoals axionen, WIMP’s en massieve neutrino’s,” somt onderzoeker Hermann Nicolai aan Scientias.nl op. “Maar ondanks vele zoekacties is er sinds het begin van de jaren tachtig nog voor geen één bewijs gevonden. Dit heeft ons ertoe gezet om het over een heel andere boeg te gooien.”


Het standaardmodel. Afbeelding:

Standaardmodel
Het bestaan van dit nog hypothetische deeltje volgt uit een theorie die probeert uit te leggen hoe het waargenomen spectrum van quarks en leptonen in het standaardmodel van deeltjesfysica zou kunnen voortkomen uit een fundamentele theorie. Het standaardmodel van deeltjesfysica is een theorie die de krachten en deeltjes die alle materie vormen, beschrijft. Volgens dit standaardmodel zijn er zes verschillende quarks en zes leptonen die zijn gegroepeerd in drie zogenoemde ‘families’. De materie om ons heen en wijzelf bestaan uiteindelijk uit slechts drie deeltjes uit de eerste familie.

Deeltjesversneller
Tot nu toe is het al lang bestaande standaardmodel ongewijzigd gebleven. De Large Hadron Collider (LHC) moest daar verandering in brengen. Deze deeltjesversneller – de grootste en krachtigste ter wereld – werd zo’n tien jaar geleden in gebruik genomen en moest gaan verkennen wat er voorbij het standaardmodel zou kunnen liggen. Maar na een decennium van gegevens verzamelen zijn onderzoekers nog niet echt opgeschoten en hebben – afgezien van de Higgs boson – geen nieuwe elementaire deeltjes gedetecteerd. In andere woorden, tot op heden zijn er nog geen aanwijzingen gevonden voor ‘nieuwe fysica’ die verder gaat dan het standaardmodel. “Het idee was gebaseerd op supersymmetrie, maar het ziet er nu naar uit dat de natuur dit concept niet wil gebruiken,” vertelt Nicolai.

De Large Hadron Collider (LHC) van het CERN-laboratorium. Afbeelding: Maximilien Brice / CERN

Superzware gravitino
En dat brengt de onderzoekers tot een heel nieuw idee. “De algemene verwachting is dat donkere materie bestaat uit een elementair deeltje,” zegt Nicolai, “en dat het nog niet mogelijk was dit deeltje te detecteren omdat het bijna alleen maar een wisselwerking aangaat met zichtbare materie door zwaartekracht.” Maar de onderzoeker slaat nu samen met zijn collega Krzysztof Meissner een heel nieuw pad in. Zij komen met een ‘donkere materie deeltje’ dat over heel andere eigenschappen beschikt dan alle tot nu toe voorgestelde kandidaten. Dat komt omdat het niet langer een primaire rol toekent aan supersymmetrie. “Wij stellen een superzware gravitino voor die – in tegenstelling tot de andere kandidaten – ook sterk en elektromagnetisch een interactie aangaat met normale materie,” legt Nicolai uit.


Massa
Volgens de onderzoeker is de superzware gravitino veel zwaarder dan andere voorgestelde kandidaten. “Daarnaast heeft het een massa die dicht bij de Planck-massa (dat wil zeggen ongeveer honderd miljoenste van een kilogram, red.) in de buurt ligt,” legt Nicolai uit. “Dit zou verklaren waarom deze ook nog niet is gezien. Als donkere materie van protonen was gemaakt, zou je ongeveer één proton per kubieke centimeter nodig hebben, terwijl je met superzware gravitino’s slechts één deeltje in een kubus van 20 km x 20 km x 20 km nodig hebt. Het is zogezegd een extreem verdund ‘deeltjesgas’.”

“Wij stellen een superzware gravitino voor die ook sterk en elektromagnetisch een interactie aangaat met normale materie”

Aarde
Wat vooral interessant is, is dat – als superzware gravitino’s bestaan – we ze kunnen opsporen met behulp van de aarde. Hun sterke en elektromagnetische interacties met normale materie zouden hun aanwezigheid namelijk kunnen verraden. De aarde zou in dat geval als een gigantische detector kunnen dienen. Onze planeet bevindt zich tenslotte al 4,5 miljard jaar in de interplanetaire ruimte. En in die periode moet deze vast door heel wat massieve gravitino’s zijn doordrongen. “Het idee is dat als zo’n deeltje door onze planeet vliegt, het sporen van ionisatie in het gesteente moet hebben achtergelaten,” legt Nicolai uit. Mogelijk kunnen ze voor miljoenen jaren stabiel blijven. “Deze sporen kunnen misschien worden gedetecteerd, al zou dit niet gemakkelijk zijn,” gaat Nicolai verder. “Het idee wordt op dit moment door enkele experimentele onderzoekers bekeken.”

De vraag is natuurlijk of we binnenkort de eerste superzware gravitino zullen spotten. “We hebben betoogd dat de tot nu toe mysterieuze en onverklaarde hoogenergetische kosmische stralen die gedurende vele jaren bij het Pierre Auger Cosmic Ray Observatory zijn waargenomen, een indirect verschijnsel ervan zouden kunnen zijn,” zegt Nicolai. “Maar dit is nog steeds speculatie.” Of we in de nabije toekomst het raadsel omtrent donkere materie zullen oplossen, is verre van zeker. Nicolai is dan ook wat terughoudend. “Het is na zoveel teleurstellingen lastig te zeggen,” stelt hij. “Laten we op het beste hopen.”