Mogelijk zijn neutrino-donkere materie interacties zichtbaar in de kosmische achtergrondstraling

De CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

Er wordt wereldwijd al jarenlang gezocht naar donkere materie, het onzichtbare spul dat naar schatting 85% van alle materie in het heelal zou vormen en dat géén elektromagnetische interacties met gewone materie aangaat. Resultaat van de speurtochten is tot nu toe nul komma niks, geen enkel signaal van de hypothetische deeltjes die donkere materie zouden vormen. Vandaar dat er druk naar andere mogelijkheden wordt gezocht. Eentje daarvan is de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), de straling die het restant is van de hete oerknal en die 380.000 jaar na de oerknal ontstond, toen straling en deeltjes door de lager wordende temperatuur losgekoppeld werden. Hieronder zie je die CMB, zoals waargenomen door de Europese Planck satelliet. De kleuren geven de temperatuursverschillen weer, de rode gebieden zijn iets warmer, de koude gebieden iets kouder dan de gemiddelde temperatuur van 2,72548 ± 0,00057 K, de variatie bedraagt hooguit 18 μK. De vraag is nu: zou je in de CMB ook signalen kunnen zien van interactie tussen gewone deeltjes en donkere materiedeeltjes? En dan specifiek tussen neutrino’s en donkere materie, zo vragen Philippe Brax en zijn collega’s van de Université Paris-Saclay zich af.

Credit: Planck Collebarotation/ESA.

Sterrenkundigen halen de meeste informatie over de CMB niet uit het plaatje bovenaan met de temperatuursverschillen, maar wel uit het zogeheten powerspectrum van de CMB, welke je hierboven afgebeeld ziet – zie deze blog met uitleg over de pieken. Zo’n spectrum laat zien hoe verschillend de temperaturen op verschillende punten op de CMB gemiddeld van elkaar zijn, als een functie van de hoekafstand aan de hemel. Met andere woorden, hoe glad of ruw de CMB is op verschillende hoekschalen. Je ziet in het powerspectrum de hoekafstand (onderste x-as) en het multipole moment (bovenste x-as) versus de grootte van de temperatuursverschillen (y-as). Een grote correspondeert met een kleine schaal aan de hemel. =200 komt overeen met ongeveer 1° aan de hemel, =10 is ongeveer 10° aan de hemel, enzovoorts. Je ziet de grootste piek liggen bij 1°, oftewel =200. De foto bovenaan van de CMB heeft een korrelige structuur met de warmere en koudere gebieden en de gemiddelde grootte van die korrels is dus 1°. Maar je ziet het in het powerspectrum, op kleinere hoekafstanden zijn er ook pieken te zien, die niet zichtbaar zijn op de foto bovenaan.

Credit: Philippe Brax et al.

Stel nou dat er ten tijde van de vorming van de CMB, dus 380.000 jaar na de oerknal interacties zouden zijn tussen neutrino’s (weergegeven als ν) en donkere materie (DM), hoe zou dat dan inwerken op het powerspectrum van de CMB? Dat hebben Brax en z’n collega’s berekend en het resultaat zie je hierboven, een theoretisch powerspectrum, inclusief νDM interacties. Helemaal linksboven zijn de pieken te zien die we ook in het met Planck gemaakte powerspectrum zien, maar rechtsonder zien we bij de grote , dus bij zeer kleine hoekafstanden een serie piekjes, die veroorzaakt worden door de νDM interacties. De auteurs werken hiervoor met de de term hetgeen staat voor de zogeheten cross-section van de interactie, de minimale cirkel waarbinnen ν en DM bij elkaar moeten zijn om met elkaar te reageren. Bij = 0 reageren ν en DM niet bij elkaar, bij hogere reageren ze wel, hoe hoger de term des te vaker ze reageren met elkaar. Met de Planck satelliet (die inmiddels buiten werking is) waren die grote multipole momenten niet zichtbaar, Planck kwam maar tot ∼2500.

De Atacama Cosmology Telescope in Chili. Credit: ACT Collaboration Telescope.

Maar gelukkig zijn er ook andere instrumenten, die de CMB onderzoeken, zoals de Atacama Cosmology Telescope, een zes meter grote telescoop in het noorden van Chili, die met verschillende camera’s (bolometers) de CMB kan waarnemen. Met die telescoop kan men wel de grote multipole momenten waarnemen. Brax en z’n collega’s hebben de laatste gegevens van de Atacama Cosmology Telescope Polarization Survey (ACTPol) bekeken en vergeleken met hun eigen theoretische voorspellingen. De uitkomst: het lijkt er op dat in de gegevens van ACTPol te zien is dat de cross-section van de νDM interactie niet nul is! Ze schatten de term op log ()=-5,2 +1,2/-0,74. De gegevens die ze konden inzien waren wel beperkt, daarom is de statistische betrouwbaarheid dat = 0 slechts 1σ, terwijl 5σ nodig is om van een bewijs te spreken. Kortom, het is op dit moment nog maar een schamele aanwijzing.

Credit: IceCube – University of Wisconsin

Maar stel dat het inderdaad klopt, hoe moeten we dan die interactie tussen neutrino’s en donkere materie opvatten? Een hypothetisch donkere materiedeeltje zou met een massa van ∼1 GeV (=1,79 x 10^-27 kg) een interactie kunnen opleveren met de geschatte cross-section van de νDM interactie, alleen is dat een massa die men al lang had moeten waarnemen in één van de ondergrondse laboratoria of deeltjesversnellers, waar ze speuren naar DM. Da’s niet gebeurd, dus er moet iets anders in het spel zijn, iets wat 380.000 jaar na de oerknal gebeurde. En dat zou wel eens het steriele neutrino kunnen zijn, een zwaardere variant van de drie gewone neutrino’s, een variant die alleen reageert via de zwaartekracht. Als DM inderdaad reageerde via steriele ν’s, zou dat inderdaad kunnen verklaren waarom we wel νDM interactie’s zien in de CMB, maar niet in de laboratoria/versnellers, omdat de steriele ν’s te zwaar zijn om waar te nemen (waarbij aangetekend dat steriele ν’s zèlf ook een kandidaat DM zijn).

Met toekomstige CMB-experimenten, zoals van het Simons Observatorium (óók in de Atacama woestijn in Chili) hopen ze de waarnemingen van de νDM interactie te kunnen bevestigen. Bron: Astrobites.

Gerelateerde Astroblogs:

Verband ontdekt tussen de donkere materie en de klonterigheid van materie in het heelal Zwaartekrachtlenzen kunnen invloed hebben op de kosmische dubbele breking