Waaruit bestaat donkere materie? Axionen misschien. En een supercomputer onthult nu hoe die axionen er dan uit zouden zien.

Onderzoekers hebben met behulp van een supercomputer het succesvolle standaardmodel van de deeltjesfysica uitgebreid. En dat stelt ze onder meer in staat om te voorspellen welke massa de axionen hebben.

Hun berekeningen wijzen uit dat de axionen een massa hebben die tussen de 50 tot 1500 micro-elektronvolt ligt. Dat betekent dat ze tot wel tien miljard keer lichter zijn dan elektronen. Het vereist dat ongeveer elke kubieke centimeter van het universum gemiddeld tien miljoen van zulke superlichte deeltjes bevat. Donkere materie verspreidt zich echter niet evenredig door het universum, maar vormt ‘klonters’ met ‘uitlopers’. Daarom zou bijvoorbeeld ons deel van de Melkweg zo’n biljoen axionen per kubieke centimeter moeten bevatten.

Hier zie je een 3D-kaart van de distributie van donkere materie. Afbeelding: NASA / ESA / Richard Massey (California Institute of Technology).

Hier zie je een 3D-kaart van de distributie van donkere materie. Afbeelding: NASA / ESA / Richard Massey (California Institute of Technology).

Onzichtbaar
“Donkere materie is een onzichtbare vorm van materie,” vertelt onderzoeker Andreas Ringwald. “Waaruit het bestaat, is een compleet mysterie.” Bewijs voor het bestaan van donkere materie is tot op heden indirect: we leiden het bestaan van donkere materie af uit de invloed die het op allerlei objecten in het universum lijkt te hebben. Naar schatting bestaat ongeveer 85 procent van de volledige massa van het universum uit donkere materie.

De ingrediënten
Omdat we donkere materie niet direct kunnen waarnemen, is ook nog altijd onduidelijk waar het uit bestaat. Wat wel duidelijk is, is dat de deeltjes waaruit donkere materie is opgebouwd buiten het Standaardmodel van de deeltjesfysica vallen. Dit Standaardmodel is zeer succesvol, maar beschrijft alleen de conventionele vijftien procent van alle materie in de kosmos.

Axionen?
Onderzoekers denken dat donkere materie óf bestaat uit relatief weinig, maar wel heel zware deeltjes óf is opgebouwd uit heel veel lichtere deeltjes. Onderzoek suggereert voorzichtig dat extreem lichte deeltjes – axionen genaamd – met name veelbelovende potentiële ingrediënten van donkere materie zijn. In feite moet het mogelijk zijn deze hypothetische deeltjes waar te nemen, maar de zoektocht naar die deeltjes wordt aanzienlijk gemakkelijker als we ongeveer weten welke massa de deeltjes hebben. “Anders zou de zoektocht decennia lang duren,” stelt onderzoeker Andreas Ringwald.

Met behulp van een supercomputer hebben Ringwald en collega’s nu dus berekend welke massa dit deeltje ongeveer heeft. De wetenschappers verwachten dan ook dat we binnen enkele jaren het bestaan van axionen kunnen bevestigen óf tot de conclusie komen dat de deeltjes niet bestaan.