#wisp's

Bestaat donkere materie uit macro’s? Credit: Max-Planck Institute for Astrophysics

Het favoriete model voor de verklaring van donkere materie was jarenlang dat van de WIMP’s, weakly interactive massive particles, zware deeltjes die alleen via de zwakke en gravitationele wisselwerking met andere deeltjes kunnen reageren en daarom vrijwel onzichtbaar zijn. Maar omdat tientallen experimenten die over de hele wereld én daarbuiten worden uitgevoerd tot nu toe geen resultaat hebben gehad zoeken steeds meer natuurkundigen hun heil tot alternatieven, zoals WISP’s en SIMP’s. En nu komt daar een nieuw model op ons af, dit keer van de natuurkundigen David M. Jacobs, Glenn D. Starkman en Bryan Lynn (Case Western Reserve University, VS). Dit drietal denkt dat donkere materie niet bestaat uit elementaire deeltjes, maar uit klompen materie, Macro’s genaamd. Die macro’s (van macroscopische objecten) zouden niet uit vreemde deeltjes bestaan, die niet verklaard worden door het Standaard Model, maar uit gewone, bekende elementaire deeltjes. Nou ja, helemaal gewoon zouden die macro’s ook weer niet zijn, want volgens het drietal zouden ze bestaan uit een mix van ‘vreemde quarks’, da’s een zwaar type kortlevende quark, en neutronen, en zouden die macro’s tijdens de oerknal zijn ontstaan. Normaal gesproken hebben die quarks en neutronen een korte levensduur, maar gebonden met protonen in helium kunnen ze langer leven. De macro’s zouden in omvang wisselen, van objecten met een massa vanaf 55 gram tot de massa van een planetoïde (≈10^17 gram) en nog zwaarder, tussen 10^20 en 10^24 gram, hun dichtheid zou vergelijkbaar met die van atoomkernen zijn, da’s de dichtheid van neutronensterren. Bron: Universe Today.

Credit: ALF KAEHLER, OLIVER HAHN AND TOM ABEL/KAVLI INSTITUTE FOR PARTICLE ASTROPHYSICS AND COSMOLOGY

Je hebt wel eens dat je iets zoekt en geheel in de verkeerde richting aan het zoeken bent. Het overkomt onszelf, het overkomt de politie die de verkeerde persoon achtervolgt, maar het overkomt ook de natuurkundigen die denken dat ze donkere materie moeten zoeken in de hoek van de WIMP’s, de weakly interactive massive particles, zware deeltjes met massa’s tussen 1 en 1000 keer dat van een proton, die slecht reageren op gewone materie, alleen via de zwaartekracht en zwakke wisselwerking. Dát donkere materie bestaat weten we via indirecte bewijzen al zeker, bijna 85% van alle materie in het heelal is donkere materie, de andere 15% bestaat uit de bekende protonen, neutronen, elektronen, enzovoorts.

Drie manieren om WIMP’s te detecteren, alle drie hebben ze tot nu toe niets opgeleverd (uit: http://www.slideshare.net/jgwacker/the-simp-miracle

Jarenlang leken de hypothetische WIMP’s dé kandidaat voor donkere materie, maar omdat alle experimenten die zoeken naar signalen van WIMP’s niets hebben opgeleverd zie je steeds meer natuurkundigen die stellen dat we verkeerd aan het zoeken zijn en dat we ergens anders moeten zoeken. Een paar weken geleden had ik bijvoorbeeld het verhaal van de WISP’s, de weakly interactive slim particles (‘slim’ in de zin van zeer licht) of weakly interactive sub-eV particles, twee verklaringen voor die ene term, lichte deeltjes zoals axionen of verborgen fotonen, die iets meer kunnen reageren op gewone materie. En nu is daar een nieuw model, voorgesteld door Yonit Hochberg (Lawrence Berkeley National Laboratory) en collegae, dat uitgaat van zogeheten SIMP’s, strongly interactive massive particles. Hochberg en z’n team zijn typische out-of-the-box denkers, die vanwege het ontbreken van enige signalen voor het bestaan van WIMP’s anders zijn gaan denken. Volgens hen bestaat donkere materie uit relatief zware deeltjes – met pakweg 1/10e van de massa van het proton – die wel sterk kunnen reageren, dat wil zeggen die sterk onderling kunnen reageren. De kracht tussen de SIMP’s lijkt op de sterke wisselwerking tussen quarks, binnenin het proton en neutron: die kracht zorgt ervoor dat ze altijd bij elkaar blijven, waardoor het onmogelijk is een los, geïsoleerd quark in de vrije natuur te zien.

Quarks in een proton zijn gebonden door de sterke wisselwerking. Credit: Arpad Horvath -

Willen SIMP’s echt de mysterieuze donkere materie vormen dan moeten ze volgens Hochberg wel aan één voorwaarde voldoen: SIMP’s kunnen alleen verdwijnen als er drie met elkaar in botsing komen en het resultaat twee nieuwe SIMP’s is. Twee SIMP’s kunnen ook botsen en dan vormen ze gewone materie (net zoals twee elkaar annihilerende WIMP’s), maar dat komt veel minder vaak voor dan drie botsende SIMP’s. Het zoeken naar signalen van SIMP’s zou gelegen zijn in de energie die vrijkomt bij de 3→2 botsingen tussen SIMP’s en dat zou met name te zien moeten zijn bij de lichte elektronen. Kijken alle WIMP’s-experimenten, zoals CMDS en XENON100, naar de zeldzame interacties tussen passerende WIMP’s en zware atoomkernen, Hochberg en z’n team denken dat je juist naar interacties met lichte elektronen moet kijken. Volgens hen zijn SIMP’s de verklaring voor donkere materie en niet WIMP’s. Diverse simulaties van de ontwikkeling van grootschalige structuren in het heelal, zoals de afbeelding bovenaan laat zien, tonen discrepanties met de WIMP-modellen. De SIMP’s zouden die discrepanties niet hebben. Bron: Sciencemag.

Het heelal zoals wij dat kennen bestaan voor 4,9% uit gewone materie – de materie waar jij en ik uit bestaan en de planeten, gaswolken en sterren – voor 26,8% uit donkere materie en voor 68,3% uit donkere energie. Dat er zoiets als donkere materie bestaat weten we inmiddels zeker, de indirecte bewijzen daarvoor zijn overtuigend, directe waarneming is er echter nog steeds niet. Jacobus Kapteyn was de eerste die met de term donkere materie kwam aanzetten, dat was bijna honderd jaar geleden, in 1922 om precies te zijn, tien jaar later kwam Jan Oort – alweer zo’n Nederlandse wegbereider – met dezelfde term, waarna in 1933 de Zwitser Fritz Zwicky het definitief op de agenda zette. Nu, anno 2014 weten we dat donkere materie bestaat, alleen hebben alle experimenten tot nu toe gefaald iets te zien van donkere materie, de LHC in Genève, de AMS-02 op het ruimtestation ISS, de ondergrondse XENON, LUX, CMS, noem ze allemaal maar op, niets dat op een signaal lijkt is opgevangen. Vandaar dat recentelijk veel natuurkundigen zoiets hebben van ‘kijken we wel in de goede richting en naar de juiste (vooralsnog hypothetische) deeltjes? Tot nu toe waren alle experimenten vooral gericht op de detectie van zogeheten WIMP’s, weakly interactive massive particles, deeltjes die, zoals de naam al aangeeft, slecht reageren met andere deeltjes en die zwaar zijn. Voornaamste kandidaat van zo’n WIMP: het neutralino. Maar ja, zoals gezegd, alle metingen laten nul komma niks signaal van zo’n WIMP zien.

Maar als je weet dat donkere materie niet bestaat én dat WIMP’s niet de deeltjes zijn waaruit donkere materie bestaat, wat moet het dan zijn, waar moet je dan naar kijken? Dan komen de zogeheten WISP’s op het toneel, de meest recente hoofdstuk in het inmiddels dikke boek over donkere materie. Voor de duidelijkheid: de term WISP’s is nog zo nieuw dat zelfs de Engelse Wikipedia er nog geen pagina voor heeft, wat zegt ik, zelfs de natuurkundigen zelf zijn er nog een tikkeltje vaag over, want er bestaan twee verklaringen van die term WISP’s. De ene verklaring zegt dat het staat voor weakly interactive slim particles, de andere houdt het op weakly interactive sub-eV particles. Maar hoe dan ook, de term is hot en het is nog nauwelijks tot ons gewone stervelingen doorgedrongen.

OK, WISP’s zijn dus mogelijke kandidaten voor donkere materie en zoals hun voluit geschreven naam al doet vermoeden reageren ze slecht op gewone materie én zijn ze licht. In beiden is er een verschil van WISP’s met WIMP’s, want in alle modellen die er voor de verschillende soorten WISP’s zijn komt naar voren dat ze méér reageren op gewone materie dan WIMP’s en dat maakt het ook gemakkelijker om ze te detecteren. En inderdaad, de WISP’s zijn stukken lichter dan de WIMP’s, hetgeen het noodzakelijk maakt dat áls WISP’s inderdaad bestaan en als zij inderdaad (een deel van) de donkere materie vormen, dan moeten ze in grote getale in het heelal voorkomen. Er zijn enkele modellen voor die WISP’s en diverse teams van natuurkundigen proberen met nieuwe detectoren de voorspelde deeltjes van die modellen waar te nemen. Hier enkele van die hypothetische WISP’s:

het meest bekende voorbeeld van een WISP is ook gelijk erg actueel: het axion. Deze week kwam namelijk het nieuws naar voren dat men mogelijk met de Europese röntgensatelliet XMM-Newton een signaal van zo’n axion heeft gevonden.

Een andere kandidaat WISP: het verborgen of donkere foton, waar ze in Duitsland met een grote metalen spiegel op willen gaan jagen.

Ik wilde in eerste instantie ook de steriele neutrino’s aan dit rijtje toevoegen – kandidaat donkere materie deeltjes, die óók wellicht door de XMM Newton zijn gedetecteerd, tsjonge jonge, die satelliet is welbeschouwd op dit moment wel het beste donkere materie-instrument dat we hebben – maar die is met een veronderstelde massa van 3,5 KeV te zwaar om een WISP te zijn.