20 november 2018

Donkere materie: geen WIMP’s, geen WISP’s, maar SIMP’s?

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

Je hebt wel eens dat je iets kwijt bent en vervolgens geheel in de verkeerde richting aan het zoeken bent. Het overkomt onszelf, het overkomt de politie die de verkeerde persoon achtervolgt, maar het overkomt volgens steeds meer natuurkundigen ook hun collega’s die denken dat ze donkere materie moeten zoeken in de hoek van de WIMP”s. Dat zijn 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 de afbeelding hierboven) 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 (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 én op elektronen. Met de zwaardere atoomkernen zouden SIMP’s alleen via de zwakke wisselwerking reageren. De kracht tussen de SIMP’s onderling 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.

Drie SIMP’s botsen en annihileren, twee komen er tevoorschijn

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 van de SIMP’s met lichte elektronen moet kijken, iets waar tot nu toe de experimenten niet op gericht zijn. 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. Zie hier het artikel van Hochberg et al, The SIMPlest Miracle. Bron: Sciencemag+ Slideshare + Koberlein.

Reacties

  1. 🙂 En die SIMP’s hebben zowaar een eigen website
    http://www.thesimpsons.com/

  2. Als we out of the box denken vind ik de mond theorie nog altijd de beste. Ok ze verklaart niet alles, zo als gravitatielenzen door clusters. Maar ze verklaart perfect de vlakke rotatiecurve van galaxieën. Dat is al veel meer dan alle wimps & simps te samen☺. Bovendien vind ik ze zo elegant. Ze verdiend zeker meer onderzoek, wat ook nog steeds aan de gang is.

  3. Stoerecurry Stoerecurry zegt:

    Ik ben niet goed op de hoogte van de MOND theorie, maar ik kan me niet zo voorstellen waarom deze de gravitatielenzen van clusters niet zou verklaren.
    Als massaloze fotonen zelfs een afbuiging zouden krijgen door de ruimtetijd buiging, waarom zou dit dan niet met deze deeltjes het geval zijn?

    • http://en.wikipedia.org/wiki/Modified_Newtonian_dynamics
      Zoals de naam al aangeeft is het een aanpassing op newtons wetten, speciaal om de eigenschappen van sterrenstelsels te kunnen verklaren waar nu de extra massa van donkere materie verantwoordelijk voor wordt gehouden. Maar als je de massa van donkere materie niet meer nodig heb dan blijft nog wel open wat dan de gravititionele lenzen veroorzaakt. Er is iets wat de ruimtetijd vervormt en zo het lenseffect veroorzaakt. Momenteel is dat dan de zwaartekracht van donkere materie die, net als normale materie, de ruimtetijd vervormt en zo het lenseffect veroorzaakt, maar in MOND heb je dus geen donkere materie meer, maar wat vervormt de ruimtetijd dan voor het lenseffect?

      • Stoerecurry Stoerecurry zegt:

        Ha Rudiev,
        Wij kennen elkaar nog van GW, bedankt voor je uitleg.

        Nu zo even uit de mouw, de massa van de sterrenclusters zelf kunnen toch de buiging in ruimtetijd veroorzaken?
        Gravitatielensen heb ik dan ook zo even geen antwoord op, maar kom hier op terug.

        • Haha natuurlijk ken ik je naam en avatar nog 🙂 Paar maanden teug heb ik je hier ook wel eens gezien.

          Ja tuurlijk, elke massa veroorzaakt een vervorming van de ruimtetijd. Maar er zijn ook gravititionele lenzen waar de massa die dit zou moeten veroorzaken niet wordt waargenomen, hence donker in donkere materie.

  4. Stoerecurry Stoerecurry zegt:

    Als ik nu even op de fantasie-toer ga (met mijn beperkte kennis van dit onderwerp). Gravitatielenzen zijn niets meer of minder dan afbuiging van achteren naar voren passerende fotonen, net als een lens hier op aarde. (eindelijk iets waar ik wel verstand van heb)(of zou moeten hebben).
    Deze afbuiging word veroorzaakt door een grote massa, immers de hoeveelheid zwaartekracht word uitgedrukt in constante * ((massa1 *massa2)/ door de afstand).
    Omdat we niets zien, nemen we aan dat het hier donkere materie betreft, maar zou voor het zelfde geld toch ook een enorme asteroïde of andere grootte massa kunnen betreffen?
    Ook schiet het equivalentieprincipe van Albert mij door het hoofd, zou dit dat fenomeen niet kunnen veroorzaken? Met het versnelt uitdijen van de ruimte, ook deuken ontstaan in de ruimtetijd?
    Immers trage massa staat gelijk aan grote massa.

    • Het is de massa die de ruimtetijd vervormt en daarmee het pad van de passerende fotonen door deze ruimte. Een enorme asteroide beinvloed met zijn massa wel de ruimtetijd, dat doet elke massa, maar die is nog veelste klein om voor een meetbaar lenseffect te zorgen. Vergeet niet dat we sommige sterrenstelsel op miljarden lichtjaren bekijken, een flinke asteroide tussen een sterrenstelsel en de aarde zal geen verschil maken. Voor een zichtbaar lenseffect heb je veel meer massa nodig.

      http://en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_lens of google maar eens.

  5. Het universum is elektromagnetisch van aard. Donkere materie is niet nodig om de werking van het universum te verklaren.
    Check de video documentaires van viaveto.de van “kosmos zonder big bang” op youtube of David Lapoint “de primer velden” deel 1-3 op youtube.

Laat wat van je horen

*

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