Opgewarmde exoplaneten zouden donkere materie kunnen bevatten

Voorstelling van een exoplaneet bij een andere ster. Credit: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI).

In een recent in Physical Review Letters gepubliceerd artikel komen onderzoekers met een nieuwe hypothese in de speurtocht naar signalen van donkere materie: exoplaneten die door hun zwaartekracht Weakly Interactive Massive Particles (WIMP’s) hebben aangetrokken, dat zijn hypothetische kandidaat-deeltjes voor donkere materie, zouden iets warmer kunnen zijn geworden en die extra warmte zij gemeten kunnen worden. Vooral de grote exoplaneten, zoals de zogeheten super-Jupiters zouden WIMP’s kunnen aantrekken, die naar de kern van de planeet toetrekken en daar door hun verval warmte genereren. Hieronder een grafiek met de berekende hoeveelheid extra warmte door het verval van de WIMP’s.

Credit: R.K.Leane et al.

Met de huidige telescopen is die extra warmte nog niet te meten, maar de in oktober te lanceren James Webb Space Telescope zou dat wel moeten kunnen doen. Het idee lijkt op wat we een tijdje terug hier ook al beschreven: dat ook planeten in ons zonnestelsel, zoals Saturnus en Jupiter, signalen kunnen geven van aanwezige donkere materie. Bron: Koberlein.

Ze gaan proberen donkere materie te detecteren met een… sneeuwbal kamer!

Credit: Jill Wellington/Pixabay.

Een maand geleden werd in een bijeenkomst van de American Physical Society (APS) in Denver (Colordado, VS) een presentatie gegeven door Matthew M. Szydagis (University at Albany, State University at New York) – hier te bekijken. Strekking van de presentatie: laten we proberen om donkere materie, de mysterieuze onzichtbare materie waar 85% van alle materie in het heelal uit bestaat, te detecteren met behulp van supergekoeld water in een zogeheten ‘sneeuwbal kamer’.

De sneeuwbal kamer. Credit: Szydagis et al.

Superkoeling of onderkoeling is het afkoelen van een vloeistof tot beneden haar kristallisatiepunt, de temperatuur waarbij het een vaste toestand krijgt. Dat kan als die vloeistof, bijvoorbeeld water, zeer zuiver is, zonder ‘structurele onregelmatigheden’. Water dat onder 0 graden Celcius wordt gebracht bevriest normaal gesproken en dat komt door kristallisatiekernen, kleine onregelmatigheden, zoals stofdeeltjes. Rondom zo’n ‘nucleation site’, zoals het in het Engels wordt genoemd, bevriest het water. Maar puur, zuiver water zonder die kernen kan vloeibaar blijven bij veel lagere temperaturen en dat heet superkoeling. Als aan een onderkoelde vloeistof plotseling een kristallisatiekern wordt toegevoegd of ze flink wordt bewogen, zal ze zeer snel bevriezen, zoals je ziet in de video hieronder.

OK, maar wat is dan de link met de detectie van donkere materie, wat met alle gaande experimenten over de hele wereld maar niet lukt? Welnu, supergekoeld water kan niet alleen snel bevriezen door macroscopisch grote kristallisatiekernen, het blijkt dat ook neutronen dat kunnen teweegbrengen, de elektrisch neutrale subatomaire deeltjes. En aangezien die in theorie zouden kunnen reageren met deeltjes donkere materie (WIMP’s geheten – weakly interactive massive particles) via een proces dat ‘nuclear recoil’ wordt genoemd zou men met supergekoeld water mogelijk die WIMP’s kunnen detecteren.

Het idee is: als zo’n WIMP reageert met een neutron in één van de atoomkernen in het ijskoude water dan beweegt die even en dat zorgt voor een snelle, spontane bevriezing van het water. Szydagis’ team heeft nu een sneeuwbal kamer gebouwd – de naam is bedacht door de vrouw van Szydagis, de taalkundige Kel Szydagis. Met die detector hopen ze vooral WIMP’s met lage massa te kunnen detecteren. Hier het vakartikel waarin meer over deze bijzondere methode om donkere materie te detecteren wordt verteld. Bron: Astronomy.

Sterrenstroom S1 veroorzaakt mogelijk een “orkaan” van donkere materie

Impressie van de sterren van S1, die tegengesteld aan de zon (oranje) om het centrum van de Melkweg bewegen. Credit: C. O’Hare; NASA/Jon Lomberg

Volgens een internationaal team van sterrenkundigen zou het kunnen dat het zonnestelsel te maken heeft met een “orkaan” van donkere materie, veroorzaakt door een groep sterren die een tegengestelde richting hebben aan de richting waar de zon heen beweegt. Bij een orkaan denk je meestal aan destructieve gevolgen, maar Ciaran AJ O’Hare en z’n team (Universiteit van Zaragoza, Spanje) denken dat deze orkaan juist positieve gevolgen heeft, namelijk dat de kans dat we de deeltjes donkere materie daadwerkelijk zullen detecteren er groter door wordt.

Op grond van waarnemingen gedaan met Gaia DR1 (ESA) en SDSS DR9 (Sloan Digital Sky Survey) hebben de sterrenkundigen in de Melkweg maar liefst vier stellaire stromen geïdentificeerd, groepen sterren die met dezelfde snelheid dezelfde kant uit vliegen en die een gezamenlijke oorsprong hebben. Die oorsprong is gelegen in ‘galactisch kannibalisme’, de Melkweg die kleinere dwergstelsels ‘op at’. Het is op grond van eerder onderzoek al duidelijk dat dwergstelsels gedomineerd worden door donkere materie – méér dan grote sterrenstelsels als de Melkweg en het Andromedastelsel.

De restanten van die dwergstelsels, zoals de stellaire stromen, zouden ook relatief meer donkere materie bevatten. Eén van de vier gevonden stromen is interessant, S1 genaamd. Die kruist namelijk de baan die de zon heeft in z’n rondje om het centrum van de Melkweg. Van S1 zijn 94 sterren in de Melkweg geïdentificeerd. Op grond van simulaties van botsingen van de Melkweg met dwergstelsels schat men in dat het dwergstelsel waartoe S1 oorspronkelijk behoorde een massa van 2 × 10^10 zonsmassa had en dat de botsing zo’n tien miljard jaar geleden begon. Van de 94 sterren heeft het tem van O’Hare er 34 nauwkeurig bestudeerd (zie de afbeelding hieronder). Berekeningen laten zien dat de donkere materie van deze sterren met een snelheid van 507,26 km/s door het zonnestelsel razen – vandaar de term “orkaan” van donkere materie. Donkere materie reageert niet of nauwelijks met gewone materie, dus geen orkaan waar je wakker van hoeft te liggen.

Credit: A. J. O’Hare et al.

De sterrenkundigen denken dat de orkaan mogelijkheden biedt voor toekomstige detectoren om deeltjes donkere materie te vinden. Omdat de sterren van S1 in tegenovergestelde richting als de zon bewegen botst het zonnestelsel met de donkere materie van S1 en dat verhoogt de kans op detectie. Ze denken dat Xenon LZ en DARWIN deze donkere materie kunnen detecteren als deze wordt gevormd door WIMP-deeltjes (‘Weakly Interactive Massive Particles’) met een massa tussen 5 en 25 GeV/c². Het lastige van Xenon LZ en DARWIN is dat ze geen ‘gevoel van richting’ hebben van gedetecteerde WIMP’s, dus dat ze niet kunnen zien of ze uit de richting van S1 komen, Dat kan wel met de toekomstige detector CYGNUS, die WIMP’s tot een massa van 0,8 GeV/c² kan detecteren. En mocht donkere materie niet uit WIMP’s bestaan, maar uit de veel lichtere axionen, dan biedt S1 ook uitkomst, want de (toekomstige) Axiondetectors ABRACADABRA, ADMX en MADMAX (eh… ik verzin die namen niet hoor) hebben allemaal dat richtingsgevoel. Hier het vakartikel over S1 en de orkaan van donkere materie. Bron: Francis Naukas.

Oeps, straks stuiten de donkere materie detectoren op de neutrinovloer

De Xenon1T detector, die onder het Italiaanse San Grasso gebergte staat. Credit: Xenon1T Collaboration.

De over de hele wereld verspreidde detectoren van donkere materie, die ondergronds proberen om direct deeltjes donkere materie te detecteren, worden steeds gevoeliger. Zo gevoelig zelfs dat ze naar verwachting binnen enkele jaren zullen stuiten op de zogeheten ‘neutrinovloer’. De in 1930 door Enrico Fermi gepostuleerde neutrino’s, die in 1956 voor het eerst werden gedetecteerd, worden ook wel  omschreven als “the most tiny quantity of reality ever imagined by a human being.” Met tientallen miljarden per seconde vliegen ze door iedere vierkante centimeter van je lichaam, waar je niets van merkt en met gemak vliegen ze dwars door een blok lood van een lichtjaar lang. Dat komt simpelweg omdat ze niet reageren op de sterke en elektromagnetische wisselwerking, wel op de zwakke wisselwerking. En in dat laatste verschillen ze van de WIMP’s, de ‘weakly interactive massive particles’, de hypothetische deeltjes van donkere materie, die (vermoedelijk) zelfs niet met de zwakke wisselwerking reageren. Detectoren zoals CDMS, XENON, DAMA, PANDA en LUX bestaan uit grote vaten diep onder de grond, die vol met ijskoude vloeistoffen zitten, omringd met allerlei gevoelige sensoren.

Credit: Berkely Universiteit

Als een passerende WIMP reageert met een deeltje van die vloeistof, wat in theorie af en toe zou kunnen gebeuren (zie de afbeelding hierboven), dan meten de sensoren dat en als dat vaak genoeg gebeurt dan hoopt men dat het signaal sterk genoeg is om boven de achtergrondruis uit te komen. En dan hebben we het eigenlijk gelijk over het naderende probleem van die neutrinovloer. Want als die detectoren steeds gevoeliger worden, doordat ze grotere vaten krijgen en de sensoren door geavanceerde apparatuur steeds beter worden, dan komt er een moment dat ze ook passerende neutrino’s als achtergrondruis gaan zien. Hieronder zie je de laatste resultaten van de Xenon1T detector, die onlangs zijn gepubliceerd, limieten voor de massa en ‘cross section’ van WIMP’s, weergegeven door de rode lijn, en daarin zie je dat ‘ie nog maar net boven de neutrinovloer uitkomt, het rozegekleurde gebied onderaan.

Toekomstige detectoren, zoals SuperCDMS, LUX-ZEPLIN en DARWIN, die nu in aanbouw zijn, zouden dan echt onder die grens duiken en als het ware door de neutrinovloer zakken. Nou betekent dat niet direct einde verhaal, maar het maakt de detectie van WIMP’s dan wel ingewikkelder. Want als die neutrino-achtergrond erbij komt, die vooral veroorzaakt wordt door de 65 miljard neutrino’s van de zon die per seconde per vierkante centimeter passeren, dan is het zaak dat men het WIMP-signaal scheidt van de neutrino-achtergrond. Zo zal het WIMP-signaal vooral in juni pieken en in december een minimum hebben, vanwege de baan van het zonnestelsel in de Melkweg en de richting tegen de stroom van WIMP’s in of met de stroom mee (zie afbeelding hieronder).

Credit: Annenberg Learner

De zonneneutrino’s pieken vooral in januari, als de aarde z’n perihelium heeft en het dichtste bij de zon staat, in juli is er een minimum. Natuurkundigen hopen uiteraard dat het zo ver niet hoeft te komen en dat WIMP’s worden gedetecteerd terwijl ze nog boven de neutrinovloer zitten. Bron: Symmetry Magazine.

Xenon1T: geen donkere materie gezien, wel scherpere limieten gehaald

Vandaag hebben onderzoekers van het XENON-samenwerkingsverband nieuwe resultaten van het meest gevoelige donkere-materie-experiment ter wereld gepresenteerd, acht keer gevoeliger dan soortgelijke eerdere experimenten. Wetenschappers wereldwijd keken uit naar de XENON1T-resultaten. De afbeeldingen hieronder zijn uit de presentatie van onderzoeksleider M. Lindner (Max Planck Instituut), die vanochtend de resultaten bekendmaakte.

Credit: Xenon1T Collaboration

Het nieuwe resultaat is gebaseerd op een ongeëvenaarde hoeveelheid meetgegevens en komt overeen met de verwachting van alleen achtergrondruis in de detector. Dat betekent dat er geen signalen van donkere materie werden gezien. De XENON1T-detector, gevuld met vloeibaar xenon, bevindt zich diep onder de grond in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië. Hier speuren onderzoekers naar donkere materie in de vorm van WIMP’s (Weakly interacting Massive Particles). WIMP’s zijn een categorie van donkere-materiedeeltjes die worden gezocht met experimenten zoals XENON1T, maar ook bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève, en in de ruimte. Het feit dat bij de XENON1T-meting geen aanwijzingen voor WIMP’s zijn gevonden, vormt de basis voor verder theoretisch en experimenteel onderzoek.

Nikhef levert binnen het XENON1T-samenwerkingsverband belangrijke bijdragen, zowel aan instrumentatie als aan data-analyse.

Patrick Decowski, programmaleider van de onderzoeksgroep Donkere Materie bij Nikhef en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam: “XENON1T zet met deze resultaten een nieuwe limiet op de wisselwerking tussen WIMP’s en gewone materie. Het experiment zelf doet het geweldig, maar mogelijk hebben WIMP’s een nog kleinere kans dan we al dachten om tegen gewone materie aan te botsen. Een andere mogelijkheid is dat donkere materie bestaat uit een ander soort subatomair deeltje. Ook daar zijn we met XENON1T naar op zoek.”

De XENON1T-resultaten zijn gebaseerd op een meting van 279 dagen met maar liefst 1300 kilogram aan vloeibaar xenon. Het experiment heeft de laagste achtergrondruis ooit in dit soort experimenten bereikt.

Credit: Xenon1T Collaboration

Auke-Pieter Colijn, senior onderzoeker bij Nikhef en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit Utrecht: “Natuurlijk hadden we gehoopt donkere-materiedeeltjes te vinden, maar ze laten zich moeilijk vangen. Over een jaar hebben we een verbeterde detector die tien keer gevoeliger is en dan zijn we hopelijk alsnog de natuur te slim af. ”

Stan Bentvelsen, directeur Nikhef: “Onderzoek aan donkere materie is ongelooflijk spannend en met dit resultaat is de speurtocht een fors stuk opgeschoven. We hopen allemaal op een positief resultaat; een ontdekking van donkere materie zal de deeltjesfysica compleet overhoop halen, en motiveert ook toekomstig onderzoek met nieuwe versnellers naar verdere fysica voorbij het Standaard Model.“

Donkere materie

Donkere materie is één van de basisbestanddelen van het heelal. Er bestaat vijf keer meer donkere materie dan gewone materie. Vele astronomische metingen hebben het bestaan van donkere materie bevestigd. Wereldwijd proberen onderzoeksgroepen botsingen van subatomaire donkere-materiedeeltjes met gewone materie waar te nemen in extreem gevoelige detectoren. Waarnemingen van deze botsingen zouden niet alleen het bestaan van donkere-materiedeeltjes rechtstreeks bevestigen, maar ook de gelegenheid geven om belangrijke eigenschappen te meten. Naar verwachting bewegen per seconde ongeveer een miljard donkere-materiedeeltjes door elk van ons heen. De wisselwerking tussen donkere-materiedeeltjes en gewone materie is echter zo zwak dat ze tot nu toe aan directe detectie zijn ontsnapt. Dit stelt wetenschappers voor de uitdaging om steeds gevoeligere detectoren te bouwen.

De XENON1T-detector

XENON1T bevindt zich in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië, het grootste ondergrondse laboratorium ter wereld. De centrale XENON1T-detector is een cilindrisch vat gevuld met vloeibaar xenon. Het zit in een cryostaat in het midden van een watertank van 10 meter diameter en hoogte, om het experiment zoveel mogelijk af te schermen van natuurlijke radioactiviteit. De cryostaat houdt het xenon op een temperatuur van -95 °C. De berg boven het laboratorium schermt de detector verder af voor verstoringen door kosmische stralen. Een botsing tussen donkere materie en xenon resulteert in een minuscule lichtflits. De lichtflitsjes geven informatie over de positie en de energie van het gebotste deeltje; ze worden gebruikt om te bepalen of de flits is ontstaan door een donkere-materiedeeltje of niet.

Credit: Xenon1T Collaboration

XENON1T werd eind 2015 in bedrijf genomen, en is vier ordes van grootte gevoeliger dan XENON10. Dat was het eerste donkere-materie-experiment dat door het XENON-samenwerkingsverband in 2005 is gebouwd. De grotere gevoeligheid van XENON1T is bereikt door de hoeveelheid vloeibaar xenon voor de donkere-materieanalyse van 5 kilogram naar 1300 kilogram te verhogen, en de achtergrondruis van natuurlijke radioactiviteit met een factor 5000 verder te onderdrukken.

Toekomst

XENON1T blijft met hoge gevoeligheid meetgegevens verzamelen en naar donkere-materiedeeltjes zoeken totdat het experiment geüpgraded zal worden naar XENONnT. XENONnT zal met een vier keer zo grote massa van xenon en met tien keer minder achtergrond vanaf 2019 de zoektocht naar donkere-materiedeeltjes voortzetten. Bron: Nikhef

Resultaten zoektocht naar donkere materie door AMS-02 en Xenon1T worden snel bekendgemaakt! [Update]

Credit: NASA.

De resultaten van de zoektocht naar deeltjes donkere materie (WIMP’s, weakly interacting massive particles) door twee detectoren, de ene is de AMS-02 detector aan boord van het internationale ruimtestation ISS, de andere is de Xenon1T detector ondergronds in de Verenigde Staten, worden snel bekend gemaakt. Die van de AMS-02 detector (hierboven op de foto te zien), welke speurt naar signalen van annihilerende deeltjes donkere materie in de passerende kosmische straling, is vanavond al, de resultaten van Xenon1T, die in 278,8 dagen probeerde WIMP’s te detecteren die reageren met 1,3 ton vloeibare xenon, is maandag. Alles is live te volgen via de volgende linkjes:

Die van maandag gebeurt door een persconferentie op twee plaatsen tegelijk, dus dat roept hoge verwachtingen op. Gaan ze opnieuw een null-detectie met nog scherpere limieten bekendmaken door zo groot uit te pakken of valt er meer te melden? We gaan het zien. Mocht ik in de blogosfeer komende tijd geruchten tegenkomen zal ik ze hier uiteraard melden. [Update 25 mei 10.00 uur] Eén resultaat kan ik al melden. Gisteravond hield de leider van het wetenschapsteam van de AMS-02, de natuurkundige Samuel Ting, z’n presentatie en daaruit bleek dat er met een statistische betrouwbaarheid van 2 sgima signalen zijn van een deeltje donkere materie met een massa van 1,2 TeV. Hieronder Ting tijdens die presentatie.

Start bouw van ‘Cryogenic Dark Matter Search’ in het SNOLAB begin ’20

De bouw van deze SuperCDMS in het  SNOLAB is de laatste in een reeks van grootschalige experimenten in de zoektocht naar Donkere Materie. Deze SuperCDMS zou in de loop van het volgend decennium operationeel moeten gaan. De bouw is een samenwerking van het Amerikaanse Department of Energy, de National Science Foundation en het Canadian Foundation of Innovation die er elk resp. 19, 12 en 3 miljoen dollar in steken. Lees verder

Sterke twijfels aan interpretatie van resultaten donkere materie experiment DAMA/LIBRA-fase 2

Credit: DAMA/LIBRA

Op 26 maart van dit jaar werden door Rita Bernabei de resultaten bekendgemaakt van zes jaar metingen met de Italiaanse DAMA/LIBRA detector, die zich diep onder de grond in het San Grasso gebergte in de Italiaanse Apennijnen bevindt. In deze tweede fase van het experiment werd bevestigd wat al in de eerste fase van de voorafgaande zes jaar werd gevonden, namelijk een signaal van donkere materie dat met de seizoenen varieert. De detectoren bevatten natrium jodide kristallen en die reageren met de hypothetische WIMP’s, weakly interactive massive particles, de vermeende deeltjes donkere materie. In juni bereikt het signaal altijd een maximum, als de aarde in z’n baan om de zon dezelfde kant uit beweegt als de zon in zijn baan om het centrum van de Melkweg – als de snelheid het grootst is waarmee we tegen de stroom van WIMP’s in bewegen, vergelijkbaar met een auto die tegen de wind in rijdt en de meeste regen te verduren krijgt. In december beweegt de aarde met die stroom mee en daalt het signaal naar een minimum (zie de afbeelding hieronder).

Credit: Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Trots liet Bernabei de statistische betrouwbaarheid van de metingen zien: maar liefst 12,9 sigma, ver boven de grens van 5 sigma, die door wetenschappers wordt gezien als de grens van wat als een echte ontdekking mag worden gezien – bij 5 sigma is de kans dat het signaal niet echt is 1 op 3,5 miljoen. Wowie, bijna 13 sigma, dan moet DAMA/LIBRA toch wel echt WIMP’s hebben gezien! Nou niet dus, aan de metingen wordt door zo wat alle natuurkundigen gewtijfeld, behalve door de medewerkers van de detector zelf. Probleem is dat afgelopen twaalf jaar dat ze daar in Italië wel signalen hebben gevonden geen enkele andere detector waar ook ter wereld dezelfde signalen heeft gezien. En da’s vreemd. Detectoren zoals het Spaanse ANAIS, de Koreaanse COSINE-100 en de Japanse PICO-LON werken met dezelfde methode als DAMA/LIBRA, maar daar is niets gevonden.

De DAMA/LIBRA detector. Credit: DAMA/LIBRA

Verder werd in een vorige week gepubliceerd artikel van drie natuurkundigen, waaronder Katherine Freese, degene die in 1986 mede het idee achter de DAMA detector bedacht, aangetoond dat een standaard WIMP het DAMA/LIBRA signaal nooit kan hebben veroorzaakt. De detector is in de tweede run gevoeliger geworden in vergelijking met Fase 1, zodat ook interacties van WIMP’s met lagere energie met de natrium en jodide kristallen kunnen worden gevonden. En die vond men ook, interacties (‘recoils’) bij lagere en hogere energieën. Probleem was alleen dat die twee energieklassen erg veel op elkaar leken en dat kan volgens Freese et al niet. Afhankelijk van de massa van de WIMP zou er een verschil moeten zitten tussen de data van lagere en hogere energieën in juni en december, een verschil dat niet is waargenomen. OK, WIMP’s die niet standaard zijn en die bijvoorbeeld een voorkeur hebben voor interacties met protonen boven neutronen, zouden wel in staat zijn het waargenomen signaal te verklaren, maar zo’n model met ‘schending van isospin’ zoals dat heet wordt niet waarschijnlijk geacht, omdat dan detectoren als XENON1T dat gemerkt zouden hebben, hetgeen niet gebeurd is.

Voorstelling van een interactie tussen WIMP’s en een atoomkern. Credit: CDMS.

Vraag is natuurlijk: als DAMA/LIBRA géén WIMP’s heeft gezien, wat veroorzaakt dan wel dat jaarlijkse periodieke signaal, dat al twaalf jaar is waargenomen? Ze hebben echt iets gezien, daar wijst die 12,9 sigma wel op, daarover is geen misverstand. Maar wat is het dan? Daar zijn al verschillende ideeën voor geopperd, zoals muonen die de aarde in juli bombarderen en neutrino’s van de zon die dat in januari doen, maar die hebben op hun beurt allemaal weer tekortkomingen, dus voorlopig blijft het een mysterie wat ze dan wel hebben waargenomen. Geen donkere materie in ieder geval, zo lijkt het. Bron: Francis Naukas + Quanta Magazine.

Sterke aanwijzingen gevonden voor donkere materie met het AMS-02 instrument aan boord van het ISS

Een impressie van het AMS-02 instrument. Credit: NASA/JSC

Er zijn recent twee onderzoeksartikelen gepubliceerd in Physical Review Letters, waarin de resultaten bekend zijn gemaakt van metingen die gedaan zijn met de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS-02), een deeltjesdetector die sinds 2011 verbonden is aan het internationale ruimtestation ISS – daarheen gebracht aan boord van spaceshuttle Endeavour op 16 mei 2011 met missie STS-134. De AMS-02 kijkt naar kosmische straling, hoogenergetische straling die vanuit alle richtingen van het heelal naar ons toe komt en de aarde bestookt. Daarbij kijkt ‘ie met name naar de antiprotonen, de negatief geladen antideeltjes van de protonen. Volgens modellen van deeltjes zouden antiprotonen wel eens geproduceerd kunnen worden in processen, waarbij deeltjes donkere materie, de geheimzinnige onzichtbare en tot nu toe onvindbare materie die ongeveer een kwart van de massaenergie van het heelal vormt, met elkaar annihileren. Dat zou zo kunnen gaan (met ‘neutralino’s’ als deeltjes donkere materie):

Credit: Sky & Telescope / Gregg Dinderman.

Twee teams hebben onafhankelijk van elkaar naar de resultaten van de metingen van de AMS-02 gekeken. Met computer simulaties hebben ze vervolgens gekeken welke mogelijke oorzaken het beste passen bij deze resultaten, donkere materie of een ‘normale’ astrofysische oorzaak, zoals pulsars. De uitkomst is dat de donkere materie de beste verklaring lijkt te zijn!

Links de AMS-02 metingen afgezet tegen een model met donkere materie, rechts zonder donkere materie . De linker grafiek geeft de beste match. Credit: Cuoco et al.

“We find a significant indication of a DM signal for DM masses near 80 GeV. […] The very accurate recent measurement of the CR antiproton flux by the AMS-02 experiment allows [us] to achieve unprecedented sensitivity to possible DM signals, a factor ~4 stronger than the limits from gamma-ray observations of dwarf galaxies. Further, we find an intriguing indication for a DM signal in the antiproton flux, compatible with the DM interpretation of the Galactic center gamma-ray excess.” Allessandro Cuoco et al.

De WIMP die de antiprotonen produceert, het ‘weakly interactive massive particle’, zou volgens de onderzoekers een massa van 80 GeV hebben,  da’s 85 keer zo zwaar als een proton of antiproton. Op 8 mei werd met de AMS-02 het 100 miljardste deeltje gemeten (zie de teller links op deze pagina). Verdere metingen kunnen hopelijk definitief bewijs geven of men inderdaad een signaal van donkere materie heeft gevonden. Bron: Universe Today.

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’.