27 november 2022

Wordt donker energie veroorzaakt door bevroren neutrino’s?

credit: NASA / GSFC / Dana Berry.

Toen het heelal begon in een hete, dichte en snel uitdijende staat – het gevolg van de oerknal – was het niet te voorspellen hoe dit jonge heelal zou eindigen. Het universum had vrijwel meteen weer kunnen ineenstorten tot niets, of meteen zichzelf aan stukken kunnen scheuren door té snel te expanderen. Dat gebeurde gelukkig niet: de aanvankelijke uitdijing werd netjes gebalanceerd door alle materie en straling in het heelal. Die verhouding was vrijwel precies degene die noodzakelijk is om materie en straling elkaar te laten wegcijferen. Toen het heelal vervolgens ouder werd ging het steeds minder snel uitdijen. Daarnaast bleef de dichtheid ook afnemen, totdat deze bijna nul was geworden.Toen gebeurde er iets nieuws op ongeveer het moment waarop het zonnestelsel geboren werd. De sterrenstelsels die zich steeds minder snel van ons verwijderden, begonnen weer te versnellen. Op de één of andere manier vond plotseling een versnelde uitdijing van het universum plaats: alles schakelde een tandje hoger.

Credit: E. Siegel

We kunnen ook meten hoé de expansie zich versnelt en hetgeen we gevonden hebben blijkt een vorm van energie te zijn, donkere energie om precies te zijn. Deze energie of kracht staat onder meerdere namen bekend, die allen min of meer synoniem zijn:- een kosmologische constante – energie dat inherent is aan de ruimtetijd zelf – vacuumenergie – een onveranderlijk scalair veldHet lijkt erop dat het scalaire veld dat verantwoordelijk is voor de versnelling van het heelal inderdaad onveranderlijk is, hoewel het ook een heel langzaam variërend scalair veld zou kunnen zijn. Maar als het veld onveranderlijk is, waarom zijn de effecten van dat veld pas zo’n 5 miljard jaar geleden merkbaar en meetbaar geworden? Dat komt doordat donkere energie pas van belang wordt op het moment dat de energiedichtheid van de andere componenten van het heelal laag genoeg is geworden.

Credit: E. Siegel

Immers, als het volume van het (waarneembare) universum toeneemt, dan zal de materiedichtheid gaan afnemen, dat is logisch. De energiedichtheid zal nog sneller gaan afnemen, aangezien de golflengte van straling zal uitrekken naar een lagere energiestaat. Maar aangezien donkere energie een eigenschap van de ruimte zelf is, wordt deze niet beïnvloed door de expansie van het universum. Toen het heelal een paar duizend jaar oud was, werd de invloed van materie langzaam groter dan de invloed van straling. Na een paar miljard jaar zal de invloed van materie weer zijn gaan afnemen ten gunste van dat van donkere energie. Vandaag de dag zijn de gevolgen zeer duidelijk: alles beweegt steeds sneller van elkaar vandaan. De gevolgen zijn onvermijdelijk: het heelal zal eindigen als een onmetelijke leegte, waarin alles dat zich buiten onze lokale groep van sterrenstelsels bevindt, voor altijd buiten ons bereik zal zijn gekomen.

Credit: ESA, Hubble and NASA

Eén van de grote onbeantwoorde vragen in de theoretische natuurkunde luidt: waarom? Waardoor wordt donkere energie überhaupt veroorzaakt? Welke kracht dwing het heelal om steeds sneller te expanderen? En waarom heeft de (schijnbare) inherente energie van lege ruimte een waarde die geen nul is?Sinds de ontdekking van donkere energie in 1998 heeft niemand nog een overtuigende en simpele verklaring gevonden voor de versnelde uitdijing – een verklaring dat geen nieuwe krachten, deeltjes en interacties vereist. En stel dat je een scalair veld zou willen introduceren, dan moet deze wel héél precies zijn afgesteld om te leiden tot het universum zoals wij dat kennen: fine tuned noemen ze dat. Nu is een paar weken geleden een artikel gepubliceerd waarin natuurkundigen werkelijk met een simpele verklaring zijn gekomen. Volgens hen vormen neutrino’s namelijk het sleutelwoord: spookachtige en vluchtige deeltjes die regelmatig worden opgevangen door speciale detectoren. Stel nou dat het scalaire veld gekoppeld raakt aan neutrino’s, zo stellen de auteurs van het artikel, dan zal het noodzakelijke finetunen verdwijnen als sneeuw voor de zon. Het scalaire veld zal zich automatisch gaan gedragen als een kosmologische constante, als een energieveld dat inherent is aan de ruimtetijd zelf. Nu kan de vraag waarom donkere energie pas de laatste paar miljard jaar belangrijk is geworden, eindelijk beantwoord worden. Zodra het universum voldoende was afgekoeld om de neutrino’s non-relativistisch te maken, iets waar lange tijd overheen moet zijn gegaan, zijn de neutrino’s “bevroren” geraakt in hun koppeling met het scalaire veld. Wat dan tevoorschijn komt is iets dat griezelig veel lijkt op donkere energie!

credit: Figure 1 from F. Simpson et al. (2016), via https://arxiv.org/abs/1607.02515

Maar het wordt nog beter! Dit “bevroren neutrino”-model blijkt namelijk experimenteel te toetsen te zijn. Er bestaat een specifiek soort verval dat mogelijk zou moeten zijn bij subatomaire deeltjes: neutrinoloos bétaverval, waarbij een atoomkern twee elektronen uitzendt, maar géén neutrino’s . Hoewel dit model nog nooit is waargenomen, zou het – indien het correct blijkt te zijn – rechtstreeks bewijs betekenen voor het nieuwe model, aangezien de specifieke signatuur heel karakteristiek zal zijn. Sommige varianten van het nieuwe model vereisen wel een massief Dirac-neutrino, die nog niet is aangetroffen, maar wat niet is kan nog komen.

Credit: Erlangen Centre for Astroparticle Physics (ecap), via http://www.ecap.physik.uni-erlangen.de/nexo/research.shtml.

Als neutrino’s inderdaad op dergelijke wijze met een scalair veld interacteren, dan hebben we niet alleen een verklaring voor donkere energie, maar kunnen we die verklaring ook experimenteel toetsen. Okee, dat is precies het beste soort nieuwe theorie die we kunnen bedenken: eentje die toetsbaar en weerlegbaar is en die onze kennis van het heelal voor altijd zal veranderen. Maar dan moet-ie wél kloppen natuurlijk! Wordt ongetwijfeld dus vervolgd. Bron: Starts With a Bang

Comments

  1. Hans Schreuder zegt

    Heel interessant!
    Maar de illustraties zijn – tenminste voor mij – zonder toelichting nauwelijks te begrijpen.

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: