Melkwegcluster, links, met ring van donkere materie zichtbaar, rechts. NASA
Er waart een spook door ons universum. Dit is al tientallen jaren bekend in de astronomie en kosmologie. Waarnemingen suggereren dat ongeveer 85% van alle materie in het universum mysterieus en onzichtbaar is. Deze twee eigenschappen komen tot uiting in de naam: donkere materie.
Verschillende experimenten hebben geprobeerd te onthullen waar het van gemaakt is, maar ondanks tientallen jaren zoeken hebben wetenschappers nog niets gevonden. Nu biedt een nieuw experiment, in aanbouw aan de universiteit van Yale in de VS, een nieuwe tactiek.
Donkere materie is al sinds het begin der tijden aanwezig in het heelal en trekt sterren en sterrenstelsels samen. Het is onzichtbaar en subtiel en lijkt geen wisselwerking te hebben met licht of andere materie. In feite moet het iets compleet nieuws zijn.
Het standaardmodel van de deeltjesfysica is onvolledig, en dat is een probleem. We moeten op zoek naar nieuwe fundamentele deeltjes. Verrassend genoeg geven dezelfde gebreken van het standaardmodel waardevolle hints over waar ze zich kunnen verbergen.
Het probleem met het neutron
Laten we bijvoorbeeld het neutron nemen. Het vormt samen met het proton de atoomkern. Ondanks dat het neutraal is, stelt de theorie dat het bestaat uit drie geladen deeltjes, quarks genaamd. Daarom zouden we verwachten dat sommige delen van het neutron positief geladen zijn en andere negatief – dit zou betekenen dat het een elektrisch dipoolmoment heeft, zoals natuurkundigen het noemen.
Toch hebben veel pogingen om het te meten hetzelfde resultaat opgeleverd: het is te klein om gedetecteerd te worden. Nog een spook. En dan hebben we het niet over instrumentele onvolkomenheden, maar over een parameter die kleiner moet zijn dan één deel op tien miljard. Hij is zo klein dat mensen zich afvragen of hij helemaal nul zou kunnen zijn.
In de natuurkunde is de wiskundige nul echter altijd een sterk statement. Eind jaren 70 probeerden de deeltjesfysicinRoberto Peccei en Helen Quinn (en later Frank Wilczek en Steven Weinberg) theorie en bewijs met elkaar in overeenstemming te brengen.
Zij suggereerden dat de parameter misschien niet nul is. Het is eerder een dynamische grootheid die langzaam zijn lading verloor, evoluerend naar nul, na de Big Bang. Theoretische berekeningen laten zien dat, als zo’n gebeurtenis heeft plaatsgevonden, het een veelheid aan lichte, stiekeme deeltjes moet hebben achtergelaten.
Deze werden “axionen” genoemd naar een wasmiddelenmerk omdat ze het neutronenprobleem konden “opruimen”. En nog meer. Als axionen in het vroege heelal zijn ontstaan, dan hebben ze sindsdien rondgehangen. Het belangrijkste is dat hun eigenschappen aan alle verwachtingen voor donkere materie voldoen. Om deze redenen zijn axionen een van de favoriete kandidaat-deeltjes voor donkere materie geworden.
Axion zouden slechts een zwakke wisselwerking hebben met andere deeltjes. Dit betekent echter wel dat ze nog steeds een beetje op elkaar inwerken. De onzichtbare axionen zouden zelfs kunnen veranderen in gewone deeltjes, waaronder – ironisch genoeg – fotonen, de essentie van licht. Dit kan gebeuren onder bepaalde omstandigheden, zoals in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Dit is een uitkomst voor experimentele natuurkundigen.
Experimenteel ontwerp
Veel experimenten proberen de axion-ghost op te roepen in de gecontroleerde omgeving van een lab. Sommige experimenten zijn er bijvoorbeeld op gericht om licht om te zetten in axionen, en vervolgens axionen weer om te zetten in licht aan de andere kant van een muur.
Op dit moment is de meest gevoelige benadering gericht op de halo van donkere materie die het sterrenstelsel (en dus de Aarde) doordringt met een apparaat dat een haloscoop wordt genoemd. Het is een geleidende holte ondergedompeld in een sterk magnetisch veld; de eerste vangt de donkere materie die ons omringt (aangenomen dat het axionen zijn), terwijl de tweede de omzetting in licht induceert. Het resultaat is een elektromagnetisch signaal dat in de holte verschijnt, oscillerend met een karakteristieke frequentie die afhankelijk is van de axionmassa.
Het systeem werkt als een ontvangstradio. Het moet goed worden afgesteld om de frequentie waarin we geïnteresseerd zijn te onderscheppen. In de praktijk worden de afmetingen van de holte aangepast aan verschillende karakteristieke frequenties. Als de frequenties van het axion en de holte niet overeenkomen, is het net alsof je een radio afstemt op het verkeerde kanaal.
De krachtige magneet is verplaatst naar het lab in Yale.
Universiteit van Yale, CC BY-SA
Helaas kan het kanaal dat we zoeken niet van tevoren worden voorspeld. We hebben geen andere keuze dan alle potentiële frequenties te scannen. Het is als het uitzoeken van een radiozender in een zee van witte ruis – een naald in een hooiberg – met een oude radio die elke keer dat we aan de frequentieknop draaien groter of kleiner moet worden.
Maar dat zijn niet de enige uitdagingen. Kosmologie wijst naar tientallen gigahertz als de nieuwste, veelbelovende grens voor het zoeken naar axionen. Omdat voor hogere frequenties kleinere holtes nodig zijn, zouden voor het onderzoeken van dat gebied holtes nodig zijn die te klein zijn om een betekenisvolle hoeveelheid signaal op te vangen.
Nieuwe experimenten proberen alternatieve paden te vinden. Ons Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) experiment gebruikt een nieuw concept van holte gebaseerd op metamaterialen.
Metamaterialen zijn samengestelde materialen met globale eigenschappen die verschillen van hun bestanddelen – ze zijn meer dan de som van hun delen. Een holte gevuld met geleidende staafjes krijgt een karakteristieke frequentie alsof hij een miljoen keer kleiner is, terwijl het volume nauwelijks verandert. Dat is precies wat we nodig hebben. Bovendien zorgen de staafjes voor een ingebouwd, eenvoudig aan te passen afstemsysteem.
We bouwen momenteel aan de opstelling, die over een paar jaar klaar zal zijn om gegevens te verzamelen. De technologie is veelbelovend. De ontwikkeling is het resultaat van de samenwerking tussen vastestoffysici, elektrotechnici, deeltjesfysici en zelfs wiskundigen.
Ondanks het feit dat axionen zo ongrijpbaar zijn, voeden ze de vooruitgang die geen geest ooit zal wegnemen.
Andrea Gallo Rosso is lid van de ALPHA-samenwerking. Hij ontvangt subsidie van de Zweedse Onderzoeksraad.
