6 juli 2020

Het axion-model van donkere materie wordt steeds aantrekkelijker

Donkere materie, bestaat het uit WIMP’s of uit… axionen? Credit: IBS

Nog maar enkele jaren terug waren de ‘WIMP’s’ dé kandidaat voor donkere materie, de ‘Weakly Interactive Massive particles’, de zware, traag bewegende deeltjes, die niet of nauwelijks met gewone materie reageren. Maar jaren van speuren naar directe detectie van de WIMP’s leverde niets op, allemaal null-detections. Vandaar dat de laatste tijd een nieuwe kandidaat hoger in de ranglijst is gekropen en nu dé favoriet is om het deeltje te zijn dat de mysterieuze donkere materie vormt: het axion. Dit hypothetische deeltje werd al in 1977 geopperd om duidelijk te maken waarom neutronen nooit reageren op een electrisch veld, terwijl de quarks waar ze uit bestaan dat wel doen – daar werd de Peccei-Quinn theorie voor in het leven geroepen en die vereiste het bestaan van het axion. Dankzij de axionen kan het neutron elektrisch neutraal zijn en blijven én ze verklaren waarom we niet op grote schaal deeltjes zien die de zogeheten CP-symmetrie schenden (het zogeheten sterke CP-probleem).

Het waargenomen spectrum door XENON1T. Credit: E. Aprile et al.

Vervolgens was daar enkele weken terug de bekendmaking dat men met de XENON1T detector in Italië een bepaald overschot aan interacties heeft gezien (zie de grafiek hierboven), dat wellicht verklaard kan worden door het bestaan van axionen, mogelijk de eerste detectie ooit van deeltjes die donkere materie zouden kunnen vormen. En dan nu weer terug naar de theorie, naar de theoretische tekentafels, want daar is ook weer het nodige gebeurd. Onderzoekers van Institute for Advanced Study, University of Michigan en UC Berkeley zijn namelijk gekomen met een nieuw model van axionen. In dat model kijken ze naar het axionveld, het alomaanwezige veld, waar de axionen de manifestatie van zijn. Dat is op zich geen nieuws, want ook andere deeltjes zijn de manifestatie van een veld, de Higgs bosonen van het Higgsveld, de fotonen van het elektromagnetische veld. Keisuke Harigaya en Raymond Co komen nu met een model, waarin dat axionveld in het vroege heelal kinetisch niet juist was uitgelijnd, ‘kinetic misalignment’, zoals ze het noemen.

Het axionveld gaat snel over de potentiële barrières heen en begint uiteindelijke te oscilleren als het voldoende wordt vertraagd door wrijving. Credit: Co & Harigaya

Volgens het tweetal was het veld zelf niet statisch, maar was het dynamisch, had het een bepaalde snelheid (zie afbeelding hierboven), veroorzaakt door het schenden van de ‘axion shift symmetry’ – ja, de moeilijke termen vliegen je om de oren. Resultaat van die snelheid van het axionveld is dat er veel meer axionen onstaan, dan in de ‘conventionele’ theorieën. En dat was tot nu toe het probleem, want de modellen leverden te weinig axionen in het vroege heelal op om de waargenomen hoeveelheid donkere materie in het heelal mee te verklaren. Maar het model van Harigaya en Co doet dat dus wel. Niet alleen krijgen ze door de beweging van het axionveld méér axionen, maar tevens kunnen de axionen sterker reageren met gewone materie. Ook kunnen de axionen middels de zogeheten axiogenese een rol spelen bij het overschot van de hoeveelheid materie boven de hoeveelheid antimaterie in het heelal (zie afbeelding hieronder).

Bij de axiogenese produceert het axion (zwarte balletje bovenin) in het vroege heelal door z’n spin een overschot aan materie (de gekleurde balletjes) boven antimaterie, sterren, sterrenstelsels en uiteindelijk ons opleverend. Credit: grafiek Harigaya & Co | foto: NASA

Kortom, axionen schijnen een kosmisch manusje van alles te zijn. Hier het vakartikel van Raymond T. Co et al, verschenen in the Physical Review Letters. Bron: IAS.

Speak Your Mind

*

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