Credit: AlexAntropov86/Pixabay.
De ware aard van donkere materie blijft een raadsel. Ondanks tientallen jaren van wereldwijd speuren naar donkere materie weten we nog steeds niet wat het is, ook al weten we uit indirecte waarnemingen dat 85% van alle materie in het heelal bestaat uit donkere materie, de overige 15% uit gewone, bekende materie. Die indirecte waarnemingen zijn grotendeels gelinkt aan zwaartekracht, zoals de vlakke rotatiecurven van sterrenstelsels en zwaartekrachtlenzen rondom (clusters van) sterrenstelsels. Maar wat nou als het de zwaartekracht zelf is dat de oorsprong van de donkere materie vormt? Recent kwam een tweetal natuurkundigen – Oleg Lebedev en Jong-Hyun Yoon van het Helsinki Institute of Physics – met een opzienbarende theorie: dat in de allereerste fase van het heelal, de fase van inflatie, het graviton, dat is de hypothetische kwantumdrager van de zwaartekracht, enorme hoeveelheden donkere materie creeërde. En dat gebeurde op een moment dat zelfs gewone materie er nog niet was, dat ontstond pas ná de inflatieperiode.
Impressie van de inflatieperiode. Credit: Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA
Gedurende de inflatieperiode maakte het heelal een uitdijing mee die exponentieel snel ging, in een minuscuul tijdsinterval zou het heelal tussen de 10^30 en 10^100 keer zo groot zijn geworden. Wat die inflatie veroorzaakte is niet bekend, maar de natuurkundigen denken dat een hypothetisch veld daar verantwoordelijk voor was, het inflatonveld, waar het deeltje inflaton een manifestatie van is. Na de inflatieperiode verviel (Engels: decayed) het inflaton en werden de deeltjes gevormd die we nu kennen, de protonen, neutronen, elektronen en andere deeltjes. Lebedev en Yoon denken nu dat iets dergelijks ook de donkere materie creeërde en wel tijdens de inflatieperiode, niet er na. Toch is er een link met het inflaton hoe dat gebeurde: aan het einde van de inflatieperiode, vlak voordat de inflaton verdwijnt en de ‘deeltjeszoo’ van ons heelal ontstaat, klotst de inflaton rond de kosmos als een bal die net van een steile heuvel is gerold maar nog niet is neergedaald.
#arXiv Analog reheating of the early universe in the laboratory https://t.co/AAH5vhftM9 the inflaton field dynamics is mapped onto that of an atomic Bose-Einstein condensate whose excitations are identified with the particles produced by the decaying inflaton field. pic.twitter.com/RRTHFp6FcQ
— Francis Villatoro (@emulenews) August 11, 2020
Kosmologen noemen deze stap de voorverwarmfase (Engels: ‘preheating’) van het inflatonverval, en het kan aanleiding geven tot gekke fysica. In deze korte fase kan bijvoorbeeld de zwaartekracht zelf een grote rol spelen, waardoor de inflaton verbinding kan maken met het donkere materiedeeltje. In dit geval neemt de zwaartekracht de vorm aan van zijn veronderstelde kwantummechanische krachtdrager, het graviton. Gewoonlijk neemt het graviton niet deel aan deeltjesreacties, maar de twee natuurkundigen hebben een manier gevonden om het in de voorverwarmfase te laten verschijnen tegen het einde van het inflatietijdperk.
Lebedev en Yoon ontdekten dat wanneer het graviton in de deeltjesinteracties in dit extreme tijdperk verschijnt, het kanalen zou kunnen bieden voor het inflaton om te vervallen in donkere materiedeeltjes. Deze donkere materiedeeltjes zouden dan al in het heelal aanwezig zijn geweest voordat de rest van de normale materie dit voorbeeld volgde toen de inflaton uiteindelijk wegging. Dit mechanisme werkt alleen als er met de ruimte iets bijzonders gebeurt, zoals de exponentieel snelle expansie tijdens inflatie. En toen die fase eindigde stopte ook de productie van donkere materie (met behoud van de huidige 85% aan donkere materie in het heelal). Hier is het vakartikel over de oorsprong van donkere materie in de inflatieperiode van het heelal. Bron: Space.com.
