Mogelijk zijn axionen (kandidaat-donkere materie) zwaarder dan gedacht

Voor het bestaan van donkere materie zijn genoeg niet-directe waarneembare bewijzen, zoals de vlakke rotatiecurven van sterrenstelsels, de zwaartekrachtlenzen om clusters van sterrenstelsels heen en de pieken in het powerspectrum van de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Pakweg 85% van alle materie in het heelal zou uit de onzichtbare donkere materie bestaan. Maar wat is het dan precies en waarom hebben alle speurtochten wereldwijd nog geen enkel direct bewijs opgeleverd? Mogelijk dat we simpelweg gewoon verkeerd kijken. Eén van de favoriete kandidaat-donkere materiedeeltjes is bijvoorbeeld het axion, een hypothetisch deeltje dat genoemd is naar een schoonmaakmiddel en dat al in de jaren zeventig werd geopperd om problemen met de sterke wisselwerking te verklaren. Malte Buschmann (Princeton University) en haar collega’s hebben op de computer simulaties uitgevoerd van de vroegste ogenblikken van het heelal en dat deden ze met een techniek die bekend staat als de ‘adaptive mesh refinement’. Tijdens de simulaties wordt een klein deel van het uitdijende heelal weergegeven door een driedimensionaal raster (‘grid’) waarover de vergelijkingen (zoals Einstein’s veldvergelijkingen van de zwaartekracht) worden opgelost. Bij ‘adaptieve mesh-verfijning’ wordt het raster gedetailleerder gemaakt rond gebieden met meer interesse en minder gedetailleerd rond gebieden in de ruimte waar niet veel gebeurt. Dit concentreert de rekenkracht op de belangrijkste onderdelen van de simulatie.

Ze ontdekten zo dat er kort na de inflatieperiode, een zeer kortdurende periode in het vroegste heelal waarin het heelal exponentieel in omvang toenam, tornadoachtige wervels (de blauwe slierten in de illustratie hierboven, de illustratie helemaal bovenaan de blog is een ander fragment uit de simulatie) waren die axiondeeltjes naar de minder dichte gebieden kunnen werpen. Door de modellen te vergelijken met de waargenomen clusteringschaal van sterrenstelsels, konden ze de massa van axionen voorspellen en die bleek twee jeer zo groot te zijn als men eerst dacht. Gingen de experimenten om axionen te vinden eerst uit van een massa van 20 tot 30 μeV (micro-elektronvolt), nu lijkt de massa eerder bij 65 μeV te liggen (da’s pakweg een tienmiljardste van de massa van een elektron). De vraag is natuurlijk wel: kunnen experimenten axionen met deze massa dan wel zien? Op dit moment lijkt dat niet het geval te zijn, maar er wordt gedacht aan het bouwen van een zogeheten ‘plasmonische haloscoop’, dat is een driedimensionale reeks fijne draden die worden gebruikt om een ​​plasma-metamateriaal te maken, waarmee axionen in deze massaschaal wel kunnen worden gezien. Het HAYSTAC experiment is hier een voorbeeld van.

Hier het vakartikel over de berekeningen aan de massa van het axion, verschenen in Nature Communications 13.1 (2022): 1-10. Bron: Berkeley.