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.
