Natuurkundigen proberen naarstig een meting van donkere materie te ontcijferen

Een mogelijke meting van een deeltje donkere materie heeft de natuurkunde in rep en roer gebracht. Experts hebben nu al allerlei ideeën geopperd over wat voor soort deeltje het kan zijn geweest.

Misschien hebben natuurkundigen eindelijk een deeltje donkere materie waargenomen – maar uitzoeken wat voor deeltje het precies was, is geen sinecure. Terwijl sommige natuurkundigen nog volop bezig zijn om de meting te bevestigen, buigen anderen zich al over de vraag wat voor soort deeltje donkere materie het kan zijn geweest.

Het deeltje waar het om draait, is recent gemeten door de LUX-ZEPLIN-detector in de Verenigde Staten. Deze detector bestaat uit een enorm vat vol met vloeibaar xenon. Als donkeremateriedeeltjes tegen de kernen van de xenonatomen botsen, leidt dat tot een lichtflitsje. Camera’s die rondom de tank staan, speuren voortdurend naar dit soort flitsjes.

LEES OOK

'Ons brein is quantum'

Natuurkundige Cristiane de Morais Smith is helemaal thuis in de vreemde wereld ...

Begin september liet de LZ-groep weten dat ze één enkele lichtflits hadden gezien. De kans is ongeveer 1 op 200 dat het signaal een toevalstreffer was, in plaats van werkelijk donkere materie.

Was het een WIMP?

Toch is de meting interessant. Dat geldt des te meer omdat de flits duidde op een botsing met meer energie dan natuurkundigen hadden verwacht van een ‘gewoon’ donkeremateriedeeltje. De meeste natuurkundigen denken dat donkere materie bestaat uit WIMPs: weakly interacting massive particles. Maar de flits paste niet bij het WIMP-model.

‘Het is een afwijkende gebeurtenis’, zegt LZ-natuurkundige Henning Flaecher van de Universiteit van Bristol in het Verenigd Koninkrijk. ‘Het is niet wat je zou verwachten op basis van de gangbaarste modellen voor donkere materie.’ Het feit dat deze energierijke gebeurtenis is waargenomen zonder dat er ook botsingen met lagere energieën gebeurden, maakt het uiterst onwaarschijnlijk dat dit deeltje een ‘gewone’ WIMP is, zegt hij.

De afgelopen weken hebben natuurkundigen tientallen artikelen gepubliceerd waarin ze zich verdiepen in de meetgegevens, op zoek naar antwoorden. ‘Het grote aantal artikelen betekent niet dat iedereen nu al gelooft dat de meting een echte ontdekking van donkere materie is, maar het laat zien dat, áls de meting klopt, de hoge energie ons veel vertelt over de processen achter zo’n botsing’, zegt natuurkundige Juri Smirnov van de Universiteit van Liverpool in het Verenigd Koninkrijk.

Higgsino

In veel van de artikelen speculeren natuurkundigen dat het deeltje een zogeheten higgsino is, een soort afwijkende WIMP. Dit idee komt voort uit een theorie die supersymmetrie heet, die veronderstelt dat elk deeltje een ‘superpartner’ heeft, met vergelijkbare eigenschappen maar een andere spin (een soort draaiing van het deeltje). Volgens de regels van supersymmetrie heeft ook het higgsboson, het deeltje dat andere deeltjes massa geeft, een superpartner: het higgsino.

Natuurkundige JiJi Fan van Brown-universiteit in de VS zegt dat het higgsino de eenvoudigste WIMP is die de LZ-meting kan verklaren. Zo zou een higgsino-detectie bijvoorbeeld niet gepaard gaan met botsingen met lagere energieën, wat overeenkomt met de meting.

Maar er zitten wel nog wel haken en ogen aan de higgsino-verklaring. Zo kan het deeltje wel de LZ-meting verklaren, maar lieten eerdere experimenten zien dat het higgsino onmogelijk de juiste eigenschappen kan hebben voor de gemeten botsing. Het higgsino is niet afgeschreven, maar het zou dan wel een veel grotere massa hebben dan verwacht.

Andere dimensies

Ondertussen zoeken natuurkundigen ook naar andere verklaringen voor de waarneming. Een daarvan is het idee dat donkeremateriedeeltjes hun oorsprong vinden in extra dimensies. Dat klinkt misschien onnodig complex, maar zulke ideeën worden al bestudeerd om andere problemen in de deeltjesfysica op te lossen, zegt natuurkundige Lisa Randall van Harvard-universiteit in de VS, die meeschreef aan een artikel dat deze mogelijkheid uiteenzet.

‘Het lijkt alsof de meetgegevens om zoiets vragen: het omzeilt bestaande beperkingen en past heel natuurlijk in het plaatje’, zegt Randall. Donkere materie uit een andere dimensie kan zowel de LZ-waarneming hebben opgeleverd, als verklaren waarom deeltjes de massa’s hebben die ze hebben – iets wat al een lange tijd een raadsel is, zegt ze.

Daar houdt het niet op met de ideeën. Andere modellen stellen voor dat er een hele reeks aan donkeremateriedeeltjes kan bestaan, met verschillende eigenschappen.

Lastig kiezen

Op dit moment is er geen manier om te bepalen welk idee correct is. ‘De meetgegevens zijn op dit moment niet toereikend om te bepalen of een van deze modellen dé verklaring is’, zegt Smirnov. Om te bepalen of de ideeën kloppen, kunnen natuurkundigen andere voorspellingen die eruit volgen gaan toetsen.

Ondertussen blijven het LZ-team en teams van andere donkeremateriedetectoren zoeken naar extra metingen die kunnen bevestigen dat het gemeten donkeremateriedeeltje écht was. Alle opgeworpen ideeën kunnen daarbij helpen. Die vertellen onderzoekers namelijk waar ze naar op zoeken.

Over de auteur