#gravitonen

Ligt de oorsprong van donkere materie soms bij de zwaartekracht zelf?

Credit: AlexAntropov86/Pixabay. De ware aard van donkere materie blijft een raadsel. Ondanks tientallen jaren van wereldwijd speuren naar donkere materie weten we nog steeds niet wat het is, ook al weten we uit indirecte waarnemingen dat 85% van alle materie in het heelal bestaat uit donkere materie, de overige 15% uit gewone, bekende materie. Die indirecte waarnemingen zijn grotendeels gelinkt…

Ligt de oorsprong van donkere materie soms bij de zwaartekracht zelf?

Credit: AlexAntropov86/Pixabay. De ware aard van donkere materie blijft een raadsel. Ondanks tientallen jaren van wereldwijd speuren naar donkere materie weten we nog steeds niet wat het is, ook al weten we uit indirecte waarnemingen dat 85% van alle materie in het heelal bestaat uit donkere materie, de overige 15% uit gewone, bekende materie. Die indirecte waarnemingen zijn grotendeels gelinkt…

Kunnen zware gravitonen soms levensvatbare kandidaten voor donkere materie zijn?

Impressie van het gekromde extradimensionale model, waarbij de positie langs de extra ruimterichting wordt weergegeven door de horizontale as. De gewone ruimte-tijd wordt weergegeven door de diagonale schermen. Gewone materie waar we van gemaakt zijn, is gelokaliseerd op het middelste scherm, terwijl donkere materie voornamelijk op het rechterscherm voorkomt. Credit: Cai, Cacciapaglia &…

Kunnen zware gravitonen soms levensvatbare kandidaten voor donkere materie zijn?

Impressie van het gekromde extradimensionale model, waarbij de positie langs de extra ruimterichting wordt weergegeven door de horizontale as. De gewone ruimte-tijd wordt weergegeven door de diagonale schermen. Gewone materie waar we van gemaakt zijn, is gelokaliseerd op het middelste scherm, terwijl donkere materie voornamelijk op het rechterscherm voorkomt. Credit: Cai, Cacciapaglia &…

Voorstelling van kwantumschuim (credit: Chandra/Harvard).

Met de ontdekking van zwaartekrachtsgolven door LIGO is er weer veel aandacht voor zwaartekracht en ruimtetijd. Met de meting aan zwaartekrachtsgolf GW150914 heeft men een limiet kunnen stellen aan de massa van het graviton, het hypothetische deeltje dat de zwaartekracht zou vervoeren. Men denkt dat het graviton – áls het al bestaat, dat is nog helemaal niet zeker – massaloos is, maar áls het graviton toch een massa heeft dan kan deze niet groter zijn dan 1,2 x 10-22 eV, oftewel 10-58 kg, zo kon men uit de metingen afleiden. Als het graviton bestaat betekent dat ook de zwakste natuurkracht een kwantum heeft een krachtvoerend deeltje, net zoals de sterke wisselwerking het gluon heeft, de elektromagnetische wisselwerking het foton en de zwakke wisselwerking de W- en Z-bosonen. Maar naast de natuurkrachten zou er nog iets anders gekwantiseerd kunnen zijn, verdeeld in kleine partjes, kwanta. Dat is namelijk de ruimtetijd zelf, het weefsel van de driedimensionale ruimte en eendimensionale tijd. Ruimtetijd zou dan geen glad, continue geheel zijn, maar op het allerkleinste niveau een constant bubbelen van stukjes ruimte en tijd, zoals in de weergave hierboven. Vandaar dat men ook wel spreekt van kwantumschuim, iets wat hier en daar de link met bierschuim heeft opgeleverd. Hieronder een video van de NASA over het kwantumschuim van ruimtetijd.

<!-- if(wpa2a)wpa2a.script_load(); //-->

In een recent artikel in Physical Review Letters is een nieuwe manier voorgesteld om naar gravitonen te zoeken. Dat is namelijk nogal lastig: volgens sommige wetenschappers heb je een detector ter grootte van Jupiter in een omloopbaan rondom een neutronenster nodig om überhaupt een graviton rechtstreeks waar te nemen.

Gravitonen zijn trouwens de hypothetische overbrengers van het zwaartekrachtveld, maar dat wist je waarschijnlijk wel. Goed, maar hoe kun je ze dan waarnemen zonder apparaten op kosmische schaal te bouwen? Simpel: via het Casimir-effect. Maar wat is dat nou weer?

Het Casimir-effect is een mooi voorbeeld van de absolute bizarheid en mafheid van kwantummechanica. Het effect is voor het eerst in 1940 voorgesteld door de Nederlander Hendrik Casimir als een consequentie van kwantumfluctuaties. Het idee is dat binnen de kwantum-elektrodynamica de lege ruimte helemaal niet leeg is, maar gevuld is met kwantumfluctuaties in het elektromagnetische veld.

Deze fluctuaties zijn ontzettend klein en over het algemeen onmerkbaar. Maar aangezien ze elektromagnetisch zijn, kunnen ze wél beïnvloed worden door een nabij geleidend oppervlak. Als je dus twee geleidende platen parallel naast elkaar zet, zullen de fluctuaties gebonden zijn tussen de platen, maar niet buiten de platen. Als gevolg zijn er minder fluctuaties binnen de platen dan erbuiten. Dit zorgt voor een drukverschil, waardoor de platen elkaar gaan aantrekken.

Deze netto aantrekkingskracht als gevolg van golffluctuaties is minder verwonderlijk dan je zou denken: je kan dit effect zelfs waarnemen bij watergolven. Wat wél verwonderlijk is, is dat volgens het klassieke elektromagnetisme geen elektrisch veld zou moeten bestaan tussen de platen (die immers ongeladen zijn), waardoor er ook geen aantrekkingskracht zou moeten zijn. Toch hebben experimenten het bestaan van het Casimir-effect ontegenzeggelijk bevestigd.

Dus hoewel de realiteit van het Casimir-effect onbetwist is, heeft de mafheid ervan tot veel discussie geleid. Het lijkt er namelijk op dat er energie uit het vacuüm gewonnen wordt, waardoor nulpuntsenergie-adepten het effect kapen als verklaring voor vrije-energie machines. Aangezien het energieniveau tussen de platen lager is dan de gemiddelde energie buiten de platen, wordt het Casimir-effect ook voorgesteld als een oplossing voor exotische natuurkunde, zoals wormgaten en warpmotoren.

Helaas zadelt het effect de natuurkunde ook met een aantal problemen op. Als kwantumfluctuaties “echte” energie bevatten, dan moeten ze beïnvloed worden door de zwaartekracht en dat zou weer invloed moeten uitoefenen op de kosmologische constante – een mogelijke verklaring voor donkere energie. Volgens de kwantum-elektrodynamica zou deze constante een enorm hoge waarde moeten hebben, maar in werkelijkheid is deze waarde bijzonder klein.

https://www.youtube.com/watch?v=IRcmqZkGOK4

We moeten echter het belang van het Casimir-effect niet overschatten. Het zorgt voor een aantal interessante vragen over kwantumzwaartekracht, maar z’n belangrijkste bijdrage is het aantonen dat ons begrip van elektromagnetisme op kwantumschaal behoorlijk goed klopt.

Maar wat heeft dit alles nou met gravitonen te maken? Simpel, net zoals het Casimir-effect veroorzaakt wordt door elektromagnetische kwantumfluctuaties, zou je ook een vergelijkbaar effect moeten krijgen door gravitationele kwantumfluctuaties. Dit gravito-Casimir-effect is natuurlijk veel groter dan z’n elektro-broertje, maar zou nog altijd detecteerbaar kunnen zijn door gebruik te maken van supergeleidende platen.

Veel wetenschappers twijfelen echter aan de kans op detectie, dus voorlopig blijft het bij een proefballonnetje. Het is echter de moeite waard om er een aantal experimenten aan te wijden, maar ik zou m’n geld niet inzetten op een positief resultaat.

Bron: One Universe at a Time

De Bulletcluster, waar donkere materie geconstateerd is. Credit: ESA / XMM-Newton / F. Gastaldello (INAF/IASF, Milano, Italy) / CFHTLS

We kennen al jaren de Nexus serie van Android smartphones en tablets, maar sinds kort is er ook een theorie van kwantumgravitatie of -zwaartekracht die Nexus heet. Bedenker daarvan is  Stuart Marongwe (physics Department of McConnell College in Botswana) en met zijn theorie zouden zowel de donkere materie als de donkere energie verklaard kunnen worden, de mysterieuze verschijnselen, die samen zo’n 95% van de massaenergie van het heelal vormen. Nexus probeert een brug te slaan tussen de kwantumtheorie en de Algemene Relativiteitstheorie (ART), een brug waar natuurkundigen al decennia lang aan bezig zijn – tot nu toe zonder succes. In Marongwe’s Nexus theorie – onlangs gepubliceerd in International Journal of Geometric Methods in Modern Physics – is sprake van een Nexus graviton met spin 2, het krachtvoerende deeltje van de zwaartekracht. Alleen is dat krachtvoeren anders dan de deeltjes uit het Standaard Model die krachten overbrengen, zoals het foton voor de elektromagnetische kracht en de gluonen voor de sterke wisselwerking.

Oeps, da’s een heel ander graviton en wel voor de Nexus smartphones. Hoezo verwarrend?

Het Nexus graviton zorgt er voor dat bij een nabij deeltje een soort van roterende beweging wordt opgewekt. Ook zou het een manifestatie zijn van vacuümenergie en zou het voortdurend tevoorschijn kunnen komen en weer verdwijnen in een proces dat lijkt op de cytokinese bij cellen. Marongwe denkt dat donkere materie bestaat uit Nexus gravitonen. Ook zouden ruimte en tijd eruit bestaan en daarmee zou de brug geslagen zijn tussen de kwantumtheorie en ART. De gravitonen kennen diverse energiestaten en als een graviton van een hogere energiestaat overgaat in eentje met een lagere energiestaat, dan komt er donkere energie tevoorschijn, op dezelfde wijze als elektronen bij het overspringen naar andere schillen rondom de atoomkern fotonen kunnen uitzenden. OK tot zover de Nexus theorie van de kwantumgravitatie. Er zijn al talloze pogingen gedaan te komen tot een alles overkoepelende Theorie van Alles, een theorie die de kwantumtheorie en de ART combineert. De natuurkundigen onder de bloggers zullen het artikel vast en zeker doorvlooien en beoordelen op z’n waarde. Ik houd jullie op de hoogte.  Bron: Science Daily.

Er zijn vier natuurkrachten en de zwaartekracht is veruit de zwakste van allemaal. De elektrostatische afstoting tussen twee negatief geladen elektronen bijvoorbeeld is 40 ordes van grootte groter dan de zwaartekracht. Je kan het simpel demonstreren met een simpel proefje: neem aan kleine magneet en til daarmee een paperclip van een tafel. De magneet weerstaat de zwaartekracht van de gehele planeet aarde, die probeert de paperclip op de tafel te laten liggen. Eén magneet die met z’n magnetisme – onderdeel van de elektromagnetische wisselwerking, één van die vier natuurkrachten – sterker is dan de zwaartekracht van een planeet, dat toont hoe zwak de zwaartekracht is. De vraag is natuurlijk wat de oorzaak van die zwakte is en de natuurkundigen breken zich daar al tientallen jaren het hoofd over. Vaak worden extra dimensies bovenop de vier bekende ruimtetijd-dimensies genoemd als oorzaak van de zwakke zwaartekracht, want die kracht zou als enige van de vier natuurkrachten iets merken van de extra, gekrulde of gecompactificeerde dimensies en daardoor zou z’n kracht als het ware weglekken in de extra dimensies. Eén van de theorieën die deze denkrichting volgen is dat van het drietal Nima Arkani-Hamed, Savas Dimopoulos en Gia Dvali, die er in 1998 een artikel over publiceerden, later het ADD-artikel genoemd. Hun idee was simpel maar tegelijk schokkend: de drie voor ons zo bekende ruimtedimensies (hoogte, breedte en diepte) is eigenlijk deel van een vijfdimensionale wereld en wij liggen op de hoek van die wereld, weergegeven door de rode lijn hieronder.

Het ADD-model van de dimensies (credit: Matt Strassler)

Die twee extra ruimtedimensies kunnen wij niet merken, maar ze zouden zo groot als 1 millimeter kunnen zijn. Zwaartekracht – overgebracht door zogenaamde gravitonen – merkt die twee extra dimensies wel en daardoor zou een deel van z’n kracht daarin wegvloeien. Inmiddels zijn we 16 jaar verder na het verschijnen van het ADD-artikel en we weten nu door diverse experimenten dat die 1 mm te groot is en dat áls er extra dimensies zouden zijn ze veel kleiner dan een honderdste van een millimeter moeten zijn. Maar in principe zijn ze nog steeds mogelijk. Boeiende materie! Bron: Of particular significance.