Wijst de Atomki anomalie soms op het bestaan van een licht donkere materiedeeltje?

De Bullet cluster, waar donkere materie (als rood aangegeven) is gedetecteerd. Maar wat is donkere materie dan precies? credits: X-ray: NASA / CXC / CfA / M.Markevitch e.a. Lensing Map: NASA / STScI; ESO WFI; Magella n/ U.Arizona/ D.Clowe e.a. Optical: NASA / STScI; Magellan / U.Arizona / D.Clowe.

Blogger en natuurkundige Ethan Siegel van Starts with a Bang kwam gisteren met een heel interessant artikel over de zogeheten Atomki anomalie. Ik had er eerlijk gezegd nog niet eerder van gehoord, maar het zou best kunnen dat het experiment dat kijkt naar de wijze waarop het element beryllium-8 vervalt de natuurkundigen die zoeken naar de deeltjes die donkere materie vormen zegt waar ze precies moeten zoeken: in de hoek van de lichte deeltjes, rond een energie van 17 MeV/c².

OK, die Atomki anomalie, wat is dat precies? Welnu, in 2015 voerde een Hongaars team van natuurkundigen onder leiding van Attila Krasznahorkay een experiment uit waarbij ze keken naar het verval van het atoom beryllium-8, dat een essentiele bouwsteen is voor de vorming van koolstof in het heelal, dat op zijn beurt weer de bouwsteen voor leven is. In het experiment ging het om een beryllium-8 atoom in aangeslagen toestand, dat gecreëerd werd door een lithium-7 atoom te bombarderen met een proton. Kort na z’n creatie verviel het beryllium-8 atoom weer in twee helium-4 kernen plus een foton. Als die laatste energierijk genoeg is kan ‘ie op zijn beurt weer vervallen in een elektron-positron paar. Die laatste twee deeltjes vliegen ieder een bepaalde kant uit en in de detectoren is tde zien welke kant ze uit vliegen.

Credit: WIKIMEDIA COMMONS USER CLOUDYLABS

De hoek die het pad van het elektron en van het positron maken vertelt de natuurkundigen welke energie het foton had (zie de afbeelding hierboven). Van die energie hadden de natuurkundigen volgens statistische regels een bepaalde verdeling verwacht, waarbij ergens bij een bepaalde hoek een maximum aan energie zou zijn en bij hoeken groter en kleiner dan die hoek een daling aan energie.

Maar wat bleek uit het experiment van Krasznahorkay et al: dat er rond een hoek van 140° een onverwachte stijging in energie was (zie de grafiek hieronder). En niet zo maar een stijging, nee het was eentje met een statistische betrouwbaarheid van maar liefst 6,8 sigma (σ) – voor natuurkundigen staat de grens van 5 sigma voor iets waarvoor bewijs is geleverd.

De resultaten van het Atomki experiment. Bij 140 graden is een lichte stijging in de energie te zien. Credit: Krasznahorkay et al.

Maar welk verband is er dan met donkere materie? Eén van de manieren om deze gedetecteerde anomalie te verklaren is het bestaan van een nieuw soort deeltje, dat een energie heeft van 0,017 GeV/c² (=17 MeV/c²), dat is zwaarder dan het elektron en de drie soorten neutrino’s, maar lichter dan de andere fundamentele deeltjes – ik schreef er in 2016 ook al twee keer over, zonder die benaming Atomki anomalie te kennen.

De wereldwijd gaande experimenten die speuren naar zware en traag bewegende deeltjes donkere materie (de zogeheten WIMP’s, weakly interactive massive particles) hebben tot nu toe niets opgeleverd aan resultaat, nou ja alleen null-detecties. Vandaar dat men zich nu steeds meer gaat richten op de detectie van lichte deeltjes van donkere materie, die fantasierijke namens als donkere fotonen, steriele neutrino’s, protofobische deeltjes en axionen hebben. Mogelijk dat de Atomki anomalie de natuurkundigen meer gericht laat zoeken naar dat deeltje, dat de Heilige Graal van de Donkere Materie begint te worden. Bron: Starts with an Bang.

Gerelateerde Astroblogs:

Verband ontdekt tussen de donkere materie en de klonterigheid van materie in het heelal Donkere fotonen kunnen goed de g-2 anomalie verklaren