Dat donkere materie bestaat weten we dankzij z’n interactie via de zwaartekracht met gewone materie. Credit: Universiteit van York.
Indirecte bewijzen voor het bestaan van donkere materie zijn er genoeg, maar directe detectie ervan is nog steeds niet gelukt, ondanks de wereldwijde pogingen daartoe, die al jaren gaande zijn. Zo’n 85% van alle materie in het heelal zou uit donkere materie bestaan, maar de grote vraag is: wat is het voor geheimzinnig deeltje, dat zo ongrijpbaar is?
Twee wetenschappers van de Universiteit van York, Mikhail Bashkanov en Daniel Watts, denken nu dat ze het deeltje gevonden hebben en dat we het al zes jaar kennen! Het gaat om het deeltje genaamd D*(2380) – lees D Star 2380), een zogeheten hexaquark, een deeltje dat bestaat uit zes quarks. Hij werd al in 2014 ontdekt met de Cooler Synchrotron in Julich in Duitsland, een resonantie die tevoorschijn kwam bij botsingen van protonen en neutronen bij een energie van 2,38 GeV (zie grafiek hieronder).
Protonen en neutronen bestaan ieder uit drie quarks, een oneven aantal dat hun tot de baryonen laat behoren (deeltjes met een even aantal quarks, zoals mesonen, behoren tot de bosonen). Zou je protonen en neutronen kunnen combineren dan krijg je een deeltje van zes quarks en dan noemt men een hexaquark. En dat lukte om te maken, alleen was het een zeer kortdurende resonantie, dat verviel in een deuteron en twee pionen. Het bestaan van D* was al in 1964 geopperd door Freeman Dyson, de natuurkundige die onlangs is overleden.
De met COSY waargenomen D* resonantie. Credit: COSY Collaboration.
Het York-tweetal kwam onlangs met een vakartikel, waarin ze zeggen dat het D* hexaquark weliswaar bekend is als een deeltje dat slechts kort leeft, maar dat het kort na de oerknal gegroepeerd kan zijn in de vorm van een zogeheten Bose-Einstein condensaat (BEC’s), een vorm die ook wel de vijfde aggregatietoestand wordt genoemd (naast vast, vloeibaar, gas en plasma). In die vorm kunnen D* hexaquarks, die met hun even aantal quarks bosonen zijn, lang bestaan. De berekeningen van Bashkanov en Watts laten volgens hen zien dat de hoeveelheid D* hexaquarks die kort na de oerknal geproduceerd is voldoende is om de donkere materie in het heelal te vormen. Met deze verklaring is het niet nodig om over te gaan tot nieuwe natuurkunde buiten het Standaardmodel, want de D* hexaquarks voldoen aan dat Standaardmodel, dat een beschrijving geeft van de elementaire deeltjes en de natuurkrachten daartussen.
Zes quarks bij elkaar en je hebt een hexaquark.
Is het echt een oplossing?
Grote vraag is natuurlijk of D* (2380) hexaquarks daadwerkelijk de verklaring zijn voor donkere materie, dat 85% van alle materie in het heelal bestaat uit gebieden van BEC’s met dit exotische deeltje? Daar moeten we denk ik toch een tikkeltje terughoudend in zijn. De vraag is bijvoorbeeld of een deeltje, dat uit de waarnemingen naar voren komt als een zeer onstabiel deeltje, dat in minder dan een seconde uiteenvalt (ca. 10^-23s), daadwerkelijk voor kan komen in een stabiele vorm als BEC. Hypothetisch mag dat dan wel zo zijn, maar het is nog nooit waargenomen. Verder zijn hexaquarks net als het proton, waaruit het is voortgekomen, een geladen deeltje (protonen zijn positief geladen, neutronen neutraal). Dat heeft een elektron nodig om elektrisch neutraal te zijn, maar dan heb je het al helemaal niet meer over donkere materie, want die reageert niet via de EM-wisselwerking. BEC’s van hexaquarks die 85% van de massa van het heelal vormen zouden dan veel gemakkelijker zichtbaar moeten zijn. Bovendien bestaan er naast hexaquarks ook andere exotische vormen van quarks, zoals tetraquarks (vier quarks) en pentaquarks (vijf quarks). De tetraquarks (even aantal quarks) zouden dan toch ook BEC’s kunnen vormen? Bron: Universiteit van York + Darkmatterenergy + The Reference Frame.
[Update 15 maart 09.15 uur] Ethan Siegel van Starts with a Bang is in een recente blog ook ingegaan op de theorie van D* hexaquarks als mogelijkheid om donkere materie te vormen. Het klopt dat D* hexaquarks, die normaal gesproken zeer kortlevend zijn (t ca. 10^-23s), langlevend kunnen worden in een BEC. Wat dat betreft lijken ze op neutronen. Samen met protonen in een atoomkern kunnen neutronen oneindig lang bestaan, maar zodra ze vrij zijn vervallen neutronen ze. Maar een neutronenster zit tsjokvol met vrije neutronen, daarin kunnen ze weer wel lang bestaan,dat komt door de gravitationele en nucleaire bindingsenergie van de neutronen. Ook bij BEC’s kunnen D* hexaquarks lang leven, als hun bindingsenergie minstens 10% van de totale restmassa van D’s is. Echter in de extreme toestand van kort na de oerknal was de straling van fotonen en neutrino’s zo hoog dat alle hypothetische BEC’s compleet uit elkaar vallen. Die straling is veel intenser dan de bindingsenergie van de BEC’s en daarom kunnen die simpelweg niet bestaan in het vroege heelal. En als de temperatuur van het heelal door de expansie zover gedaald is dat de straling minder is geworden mist de toestand om van D hexaquarks BEC’s te maken. Bron: Starts with a Bang.
