23 maart 2019

Geen WIMP’s? Dan wellicht axionen als verklaring voor donkere materie?

Donkere materie, we weten dat het er is, we kunnen het alleen niet zien.

Donkere materie, we weten dat het er is, we kunnen het alleen niet zien.

We weten dat donkere materie bestaat en dat het 26,8% van de totale massa van het heelal bevat – daar zijn vanaf de jaren dertig talloze indirecte bewijzen voor verzameld. We weten alleen niet wat het precies is en welke eigenschappen het heeft. Op vele plekken op de wereld wordt in ondergrondse onderzoekscentra – beschut tegen storende invloeden van bijvoorbeeld kosmische straling – gezocht naar donkere materie en daarbij zijn alle pijlen gericht op de zogenaamde WIMP’s, de weakly interactive massive particles, de voornaamste kandidaten voor de deeltjes die donkere materie zouden vormen. Eén probleem: alle experimenten falen tot nu toe om een WIMP te zien, zoals onlangs nog bleek uit het gevoeligste experiment van allemaal, LUX. Aangezien de WIMP’s niet passen binnen het Standaard Model van de natuurkunde hoor je de laatste tijd steeds vaker stemmen die de hoop opgeven dat er ‘natuurkunde voorbij het Standaard Model’ is en dat binnen dat model moet worden gekeken. En tataratááá, daar komt het axion om de hoek, een theoretisch deeltje dat nog nooit is waargenomen, maar dat wel een verklaring biedt voor donkere materie én dat wel past binnen het Standaard Model.

Feynman diagram van een axion-foton interactie

Feynman diagram van een axion-foton interactie

Het axion is een zogenaamd scalair boson1 (spin 0), dat neutraal is (lading 0) en dat zeer licht is (˜0,0005 eV). Het bestaan van het axion volgt uit de Peccei-Quinn theorie uit 1977, welke een oplossing biedt voor het ‘sterke CP probleem’ (CP=charge parity) uit de quantum chromodynamica (QCD), de theorie achter de sterke wisselwerking. Het axion is vrij stabiel en het reageert zeer zwak met de rest van de elementaire deeltjes uit het Standaard Model. Axionen zouden tijdens de oerknal gevormd kunnen zijn en na de afkoeling als gevolg van de uitdijing van het heelal zouden ze verenigd zijn in een zogenaamd Bose-Einstein condensaat, welke het gehele heelal zou vullen. Daarmee zouden axionen ‘koude’ donkere materie vormen, koud in de zin van langzaam bewegend. Dit in tegenstelling tot neutrino’s, die ook wel als verklaring voor donkere materie worden genoemd, ‘hete’ donkere materie in dat geval, omdat neutrino’s met de lichtsnelheid reizen. In de buurt van sterke magnetische velden zouden axionen kunnen reageren met fotonen en daarom zijn recente experimenten, zoals ADMX (Axion Dark Matter Experiment), daarop gericht. Een foton zou een axion kunnen worden en dat zou weer in een tweetal fotonen kunen vervallen, zoals je op de afbeelding hiernaast ziet. Bij een ander experiment, genaamd CAST (CERN Axion Solar Telescope), wordt gezocht naar axionen die afkomstig zijn van de zon. In de volgende video – een lang debat over de vraag “Does Dark Matter Consist of Weird Particles Called Axions? – wordt ook ingegaan op CAST en ADMX.

Bron: Francis (th)E Mule + Wikipedia.

Noten
  1. Bosonen zijn deeltjes met een heeltallige spin, dus 0, 1, 2,… Een scalar veld is invariant onder de Lorentz transformatie, in tegenstelling tot vector of tensor velden. Het quantumdeeltje van het scalar veld heeft daarom spin 0. []

Reacties

  1. Olaf van Kooten http://Olaf%20van%20Kooten zegt

    Het Higgs-veld is toch ook scalair? Interessante materie, vooral het filmpje 😀

  2. Klopt, het Higgs boson is ook scalair, ook diens spin is 0. Het is het eerste scalar deeltje ooit ontdekt. Alleen is het met 125 GeV rustmassa heel wat zwaarder dan het axion.

  3. http://Mardi zegt

    axion? klinkt goedkoop, waar heb ik die naam nog meer gehoord ? 🙂

  4. http://Iwald zegt

    Je bedoelt Action? Ja, die is inderdaad goedkoop. 🙂

  5. http://Rob+Heusdens zegt

    Er is nog een andere mogelijkheid, namelijk dat er ook deeltjes kunnen zijn waarvan de massa negatief is. Dergelijke hypotheses (maar dan ongerelateerd aan donkere materie) zijn wel eens eerder onderzocht, o.a. door Bondi. Het lijkt in eerste zin natuurlijk onmogelijk om negatieve massa te hebben. Althans, volgens de huidige fysica is massa altijd positief. Maar waarom zou zwaartekracht iets compleet anders zijn dan de andere natuurkrachten waar ladingen wel positief of negatief of zelfs in drie varianten kunnen bestaan (kleur kracht en kleur lading bij sterke wisselwerking).
    Als we gravitationele massa gelijk stellen aan intertiele massa dan hebben we de volgende eigenschappen:
    = positieve massa trekt positieve massa aan
    = negatieve massa trekt negatieve massa aan, maar ze versnellen juist uitelkaar! (F=ma, bij negatieve massa is de versnelling in de omgekeerde richting als de kracht)
    = negatieve massa wordt afgestoten door positieve massa, maar versneld er juist naar toe (idem)
    = positieve massa wordt afgestoten door negatieve massa

    Was als er tijdens de big bang ook negatieve massa deeltje waren gevormd? De positiee massa clustert dan aan elkaar en vormt sterrenstelsels. De negatieve massa verspreid zich juist, maar raakt wel gebonden aan de positieve massa clusteringen, en bevindt zich dan als een soort schil om de sterrenstelsels heen, maar komt niet voor in het sterrenstelsel zelf.

    Dus de plekken waar je negatieve massa deeltjes zou kunnen verwachten volgens deze hypothese, zijn precies die plekken waar we nu ook de donkere materie zien.

    Een verdere uitwerking van dit idee zou ook aan kunnen tonen dat ook de andere eigenschappen van donkere materie (de invloed op de roratie van het sterrenstelsel in de buitenste delen) en haar onzichtbaarheid, overeenkomen met deze nieuwe, hypothetische negatieve massa deeltjes.

    Merk op dat als de massa negatief is, de electromagnetische kracht ook precies omgekeerd is: positieve lading trekt dan positieve lading aan, idem voor negatieve, en ongelijke lading stoot elkaar af. Daarom vormen zich ook geen atomen, en ook de interactie met fotonen is anders, waardoor we het niet kunnen zien.

    Zeer speculatief, en nog lang niet overtuigend genoeg voor een complete theorie (want ook de bariogenesis en de hele evolutie van het universum zou dan verklaard moeten worden, evenals de donkere energie, die ook repulsief is), maar toch wel zo opmerkelijk dat dat eigenlijk best verdere aandacht verdient!

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: