Wijst de door AMS-02 waargenomen cut-off van de positronenflux op een WIMP van 1 TeV?

Credit: S. Ting et al / AMS-02

Deze week zijn de resultaten gepresenteerd door de natuurkundige en Nobelprijswinnaar Samuel Ting (Massachusetts Institute of Technology) van vijf jaar onderzoek met de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), de grote detector van kosmische straling, die op 19 mei 2011 door astronauten van spaceshuttle Endeavour aan één van de modules van het internationale ruimtestation ISS werd bevestigd. Met die loodzware detector – 6.717 kg schoon aan de haak – meten ze de geladen deeltjes van kosmische straling, deeltjes die met een zeer sterke magneet afgebogen worden richting de deeltjesdetectoren in de AMS-02. Sinds de start van de waarnemingen vijf jaar geleden zijn meer dan 90 miljard deeltjes waargenomen en gemeten. Een deel daarvan betreft ook animaterie, zoals positronen, dat zijn de antideeltjes van elektronen. Zeer interessant in de resultaten is hetgeen met de AMS-02 is waargenomen in de hoeveelheid positronen, de zogeheten positronen-flux. In die flux is namelijk een ‘cut-off’ te zien, een plotselinge afname van de hoeveelheid positronen met een bepaalde energie na een eerdere geleidelijke toename. Zie bovenstaande afbeelding met daarin duidelijk zichtbaar eerst de geleidelijke toename vanaf 8 GeV en dan de cut-off, die bij een energie van ongeveer 1 TeV (da’s één miljard elektronvolt) plaatsvindt.

De AMS-02. Credit: NASA

Theoretische modellen zeggen dat zo’n cut-off kan wijzen op het bestaan van deeltjes donkere materie. Deeltjes met een energie gelijk aan die cut-off waarde zouden dan na botsing met elkaar kunnen annihileren en overgaan in een elektron en positronpaar.

X+ X -> e + e+

Ting, leider van het wetenschappelijk team van de AMS-02, denkt dat er mogelijk sprake is van een WIMP [1]Da’s een ‘weakly interactive massive particle’. van 1 TeV, een zogeheten neutralino, die verantwoordelijk is voor deze cut-off in de positronenflux. Hard bewijs voor die stelling heeft hij nog niet, want daar is de hoeveelheid waargenomen positronen te klein voor. Het zou kunnen zijn dat de waargenomen positronenflux wordt veroorzaakt door iets anders en wel een broeinest aan pulsars, die zich mogelijk in het centrum van ons Melkwegstelsel ophouden. Meer waarnemingen moeten duidelijk maken of het een WIMP is of een pulsar, die dit alles veroorzaakt. Ting denkt dat ze nog jaren nodig zullen hebben om dat onderscheid te maken en dat ze pas in 2024 uitsluitsel kunnen geven.

Daar is ‘ie, de AMS-02, vastgemaakt aan het ISS. Credit: NASA

Dus mensen, graag nog even het nodige geduld – tenzij andere instrumenten, zoals de Large Hadron Collider van CERN bij Genève, ons eerder laten weten hoe het precies zit. Bron: The Reference Frame + Symmetry Magazine.

References[+]

References
1 Da’s een ‘weakly interactive massive particle’.

Het beste van twee werelden: koude én hete donkere materie

Credit: Virgo Collaboration

Dát donkere materie bestaat is inmiddels wel aardig bewezen, al is het op indirecte manier met bijvoorbeeld de rotatiecurven van sterrenstelsels. Wát donkere materie precies is dat is nog niet bekend, ondanks talloze pogingen van wetenschappers het direct waar te nemen. Twee soorten van donkere materie onderscheiden zich op de tekentafels van de dames en heren theoretici: óf je hebt snelle, hete donkere materie, bestaande uit zeer snel vliegende elementaire deeltjes met een klein tikkeltje massa, zoals neutrino’s, óf je hebt koude, langzame donkere materie, bestaande uit sloom voortbewegende elementaire deeltjes, zoals neutralino’s. De afgelopen jaren zijn alle kanskaarten ingezet op de laatste groep, de WIMP’s, de weakly interacting massive particles, waarvan die genoemde neutralino’s de belangrijkste kandidaat zijn. Op allerlei gronden zouden snelle, hete DM (dark matter) deeltjes uit den boze zijn. Maar wat lees ik nou op de Spaanstalige website van Francis (th)E Mule: dat een team sterrenkundigen onder leiding van Mark Lovell op grond van waarnemingen van dwergstelsels in de halo van de Virgocluster – een gigantische cluster van sterrenstelsels in het sterrenbeeld Maagd – tot de conclusie komt dat het wel eens zou kunnen zijn dat zowel koude áls hete donkere materie aan het werk is. Kortom, best of both (dark) worlds. Eh… één slag om de arm: m’n Spaans is niet zo best – ik heb even Google translator losgelaten, maar die laat misschien ook een paar steekjes vallen, dus val mij d’r niet op aan als Lovell en consorten iets geheel anders bedoeld hebben. 🙂 Bron: Francis (th)E Mule.

Donkere materie blijft onvindbaar, zelfs voor Xenon100

De ultragevoelige sensoren van Xenon100. Credit: XENON100  collaboration.

Zelf na honderd dagen van waarnemingen met de grootste donkere materie-detector ter wereld – de Xenon100 detector 1,4 km diep onder de rotsen van het San Grassogebergte in Italië – is men er niet in geslaagd een glimp op te vangen van een WIMP, een ‘weakly interacting massive particle’. Die deeltjes zouden volgens theoretici de donkere materie moeten uitmaken, het mysterieuze, onzichtbare spul dat 83% van alle materie in het heelal vormt – even afgezien van de donkere energie, die in nóg grotere hoeveelheden voorkomt.  In de Xenon100 detector zit een vat met 62 kg zuivere xenon en een WIMP-deeltje zou volgens de theorie héél af en toe in interactie kunnen komen met een xenon-atoom. In dat geval zou een foton en electrisch signaal worden geproduceerd met bepaalde eigenschappen, welke door gevoelige sensoren onderin het vat te zien zouden zijn. Die sensoren zie je hierboven op de foto. Probleem is dat ook andere processen een interactie met xenon op kunnen leveren, zoals kosmische deeltjes van buiten de aarde en het radioactieve verval van de aarde zelf. Om die eerste soort van vervuiling tegen te gaan, de kosmische straling dus, is men expres zo diep onder de grond gaan zitten. Afijn, de eerste waarnemingen van bijna 101 dagen, gedaan tussen januari en juni 2010, hebben drie ‘hits’ opgeleverd (zie de afbeelding hieronder, met daarin drie rood omcirkelde hits). Maar twee van de drie waren ruis, storende achtergrondsignalen en géén WIMP’s, aldus de betrokken natuurkundigen. Die derde zóu een WIMP kunnen zijn, maar het aantal is te weinig om er enige wetenschappelijke zekerheid aan te ontlenen. Betekent dit dat WIMP’s helemaal niet bestaan? Nee, dat betekent het niet. Het duidt er alleen op dat de huidige detectoren ze nog steeds niet kunnen zien. Het meest gangbare WIMP-model ging uit van een zogenaamd neutralino-deeltje, dat ongeveer 80 keer zo zwaar is als een proton. De waarnemingen met Xenon100 hebben die massa teruggebracht naar maximaal 50 GeV. Men is van plan een nog grotere detector te bouwen, waar een ton xenon in zit. Daarmee hoopt men wel een echte WIMP te kunnen vangen. Als je ’t allemaal op je gemakje nog eens na wil lezen, hier is het wetenschappelijke artikel van het Xenon100-team over hun waarnemingen.

Credit: XENON100  collaboration.

Bron: Universe Today.

Heeft CoGeNT een lichte WIMP (=donkere materie) gezien?

De CoGeNT resultaten. Credit: CoGeNT Collaboration.

Af en toe wordt de wereld van natuurkundigen opgeschrikt door geroezemoes over mogelijke belangrijke ontdekkingen, zoals vorig jaar december toen men bij het CDMS-experiment twee kandidaten vond voor een WIMP-deeltje [1]en waarbij een kans van 23% was dat deze twee gebeurtenissen achtergrond zijn. Volgens de wetenschappelijke standaarden is dat te hoog om als betrouwbaar te worden gezien.. Afgelopen week is dezelfde opwinding merkbaar, want bij een experiment genaamd CoGeNT (Coherent Germanium Neutrino Technology) – in gebruik in dezelfde Soudanmijn in Minnesota als CDMS – heeft men wellicht honderden aanwijzingen gevonden voor het bestaan van een licht WIMP-deeltje met een massa tussen 7 en 11 GeV. WIMP’s zijn ‘weakly interactive massive particles’, op dit moment in alle theoretische modellen van donkere materie dé beste kandidaat voor donkere materie. Van donkere materie weten we dat 23% van het gehele heelal eruit moet bestaan, maar nog nooit is één deeltje ervan direct waargenomen. Lees verder

References[+]

References
1 en waarbij een kans van 23% was dat deze twee gebeurtenissen achtergrond zijn. Volgens de wetenschappelijke standaarden is dat te hoog om als betrouwbaar te worden gezien.

Herrie in de tent over Fermi-gegevens

Een aanwijzing voor donkere materie? Credit: NASA/FERMI-LAT

Op basis van gegevens van de gammasatelliet Fermi van de NASA zijn enkele sterrenkundigen tot de conclusie gekomen dat ze wellicht in het centrum van de Melkweg annihilatie hebben waargenomen van donkere materie [1]De gegevens wijzen erop dat de deeltjes donkere materie een massa hebben tussen 25 en 30 GeV, zo’n 30 keer zwaarder dan een proton. Vermoedelijk de beste kandidaat daarvoor: het neutralino.. Klinkt natuurlijk als fantastisch nieuws, los van het feit dat al vele andere groepen dezelfde vondst hebben geclaimd, maar toch heeft het artikel over de mogelijke vondst van donkere materie aanleiding gegeven tot rumoer. De twee auteurs van het artikel, Lisa Goodenough (New York University) en Dan Hooper (Fermilab in Batavia), hebben namelijk gebruik gemaakt van data van Fermi. Hebben ze dat illegaal gedaan, gejat dus? Lees verder

References[+]

References
1 De gegevens wijzen erop dat de deeltjes donkere materie een massa hebben tussen 25 en 30 GeV, zo’n 30 keer zwaarder dan een proton. Vermoedelijk de beste kandidaat daarvoor: het neutralino.

Hèhè, de Discovery is eindelijk gelanceerd

De Discovery wordt gelanceerd. Credit: NASA TV.

Vanmorgen om 05.59 uur Nederlandse tijd is na drie eerdere pogingen de Space Shuttle Discovery eindelijk gelanceerd. Vanaf Cape Canaveral in Florida werd de Discovery gelanceerd voor missie STS-128 naar het internationaal ruimtestation ISS. Aan boord zeven bemanningsleden – zes Amerikanen en een Zweed – naar het ISS voor een bezoek van twee weken. Die Zweed – Fugelsang -schijnt ook een ‘neutralino’ mee naar boven te hebben genomen, geen echte uiteraard – want die krengen zijn nog nooit waargenomen – maar een stoffen versie, afkomstig uit de uitgebreidde collectie van pluchen ‘deeltjes’ van de Particle Zoo. Afijn, de Discovery is onderweg naar het ISS en daar schijnt ‘ie zondag aan te komen en te koppelen. Dan zullen ze onder andere dat fitness-apparaat Colbert gaan installeren, genoemd naar die Amerikaanse TV-presentator. Voor de Discovery is het overigens één van de laatste vluchten, want ’t beestje is al vijfentwintig jaar oud. Tijd dat ‘ie met pensioen gaat. Een overzicht van de resterende vluchten van de hele shuttlevloot vind je hier. Bron: NASA + Universe Today.

Dé donkere materie-kandidaat: het neutralino

supersymmetrie. Credit: Wikipedia

De laatste tijd zit ik in een boek gedoken van Ian Nicolson, getiteld Dark side of the Universe. Twee redenen daarvoor: 1. Jan Brandt gaf mij dit schitterende boek te leen (waarvoor dank) en hij had het weer van Trevor Lipscombe, de hoofdredacteur van de Johns Hopkins University Press, die het boek uitgaf; 2. Ik geef begin volgend jaar weer een lezing over donkere materie. Om mij daar enigszins op voor te bereiden is zo’n boek wel handig, dus twee vliegen in één klap. Af en toe lees je in zo’n boek dingen waar je niet bij stilstond of waar je nog nooit van gehoord hebt. Bijvoorbeeld het neutralino. Weten jullie daar meer van? Ik niet in ieder geval. Tenminste, tot gisteren. Ik had er wel eens van gehoord, maar dacht altijd ‘ach, da’s één van die vele varianten van elementaire deeltjes’. Net zoiets als neutrino’s, fotino’s, W-ino’s, Z-ino’s, etc… Nee, ik verzin ze niet, die deeltjes hebben ze echt bedacht. Maar wat lees ik nou in Nicolson’s boek: dat die neutralino’s dé belangrijkste kandidaat zijn voor donkere materie, je weet wel, het mysterieuze goedje dat 23% van het heelal zou vormen [1]Tesamen met 4% gewone materie en 73% donkere energie.. Ik schrijf bijna wekelijks wel een keertje over donkere materie, dus het heeft m’n aandacht. En dan is zo’n neutralino al die jaren aan m’n aandacht ontsnapt. Tsss, Adrianus schaam je. 🙂 Afijn, even een korte inhaalslag. Het draait zoals gezegd allemaal om de vraag wá t donkere materie nou precies is. Zijn het misschien neutrino’s die een tikkeltje massa hebben? In dat geval praat men van hete donkere materie, omdat neutrino’s met bijna de lichtsnelheid gaan (‘heet’ dus in de zin van ‘snel’). Maar vele argumenten zijn er om hete donkere materie af te wijzen. De meerderheid der sterren- en natuurkundigen kiest tegenwoordig voor koude donkere materie, d.w.z. zware deeltjes die niet zo héél snel gaan en die héél zwakjes reageren op gewone materie. Men praat over Weakly Interacting Massive Particles, WIMP’s en daarvan is dat neutralino [2]Standaardsymbool voor het neutralino is , waarin i van 1 tot 4 loopt. de meest favoriete kandidaat. Neutralino’s zijn hypothetische deeltjes die bedacht zijn in het kader van de supersymmetrie. In supersymmetrie, afgekort SUSY, heeft ieder elementair deeltje een zogenaamde supersymmetrische partner (zie afbeelding hierboven). Quarks hebben s-quarks als supersymmetrische partner, fotonen hebben fotino’s, leptonen hebben s-leptonen, higgs-deeltjes hebben higgsino’s, W-bosonen hebben W-ino’s, Z-bosonen hebben Z-ino’s, enzovoorts. Nou moet ik direct al moeilijk doen, want neutralino’s zijn géén partner van een ‘gewoon’ elementair deeltje. In feite is het een mix van fotino’s, higgsino’s en Z-ino’s. Zucht, zijn jullie er nog? 😀 Afijn, met een geschatte massa van 10-10.000 GeV zijn de neutralino’s de belangrijkste kandidaat voor donkere materie. Ik kan er op deze prachtige zondagavond nog veel meer over schrijven, maar dan zijn jullie denk ik écht afgehaakt. Hou ze wel in de gaten, die neutralino’s. Ik kom er zeker op terug. Ik ga nu weer even verder met sterrenstelsels bekijken op de Galaxy Zoo. Bron: Wikipedia.

References[+]

References
1 Tesamen met 4% gewone materie en 73% donkere energie.
2 Standaardsymbool voor het neutralino is , waarin i van 1 tot 4 loopt.