Het donkere-materie-experiment XENON1T meldde onlangs een overschot aan botsingen tussen deeltjes. De mogelijke veroorzaker: het raadselachtige axion.

Heel veel spannends is er niet gebeurd op deeltjesgebied sinds de ontdekking van het higgsboson, alweer ruim acht jaar geleden. Maar misschien is daar deze zomer eindelijk verandering in gekomen. Onlangs maakte het team achter het donkere-materie-experiment XENON1T namelijk bekend een onverwacht overschot aan botsingen tussen deeltjes te hebben gezien. Wat dat overschot veroorzaakte, kan op dit moment nog niemand zeggen. Maar misschien wel de spannendste mogelijkheid die het XENON1T-team noemt, is een nieuw deeltje genaamd het axion. Zou dat deeltje inderdaad bestaan, zo schrijven theoretisch natuurkundigen Djuna Croon, Sam McDermott en Jeremy Sakstein nu, dan zou dat consequenties moeten hebben voor hoe zwaar zwarte gaten kunnen worden.

Lees ook:

• Relativiteitstheorie getest door te morrelen aan pi
• Zijn er deeltjes met een bizar grote elektrische lading?
• Steriele neutrino’s: de dino’s onder de deeltjes

Harder brandende ster

Even terug naar dat axion: wat voor deeltje is dat? Eind jaren zeventig plopte het tevoorschijn uit berekeningen van theoretici die een dappere poging deden een netelige kwestie uit de deeltjesfysica uit de weg te helpen. (Voor wie het wil googelen: het gaat hier om het ‘sterke CP-probleem’). Datzelfde deeltje zou bovendien in één moeite een heel ander probleem kunnen oplossen: dat rond de donkere materie. Axionen hebben namelijk een kleine massa, dus als er maar genoeg van deze deeltjes bestaan, zouden ze samen kunnen verklaren waarom het heelal meer materie lijkt te bevatten dan we kunnen zien.

En wat hebben deze deeltjes dan met zwarte gaten te maken? Preciezer gaat het daarbij om de zwaarst mogelijke zwarte gaten die kunnen ontstaan als een ster ontploft als supernova. Ooit, in het vroege heelal, bestonden er sterren die veel zwaarder waren dan de huidige recordhouders, zo nemen astronomen aan. Het valt dan te verwachten dat die sterren ook veel zwaardere zwarte gaten achterlaten.

Helaas kun je niet zomaar zeggen: hoe zwaarder een ster, des te zwaarder het zwarte gat. Vanaf een bepaalde massa geldt: hoe zwaarder een ster, des te meer massa hij verliest tijdens de laatste fases van zijn bestaan – en des te minder er dus overblijft om een zwart gat van te maken. Daardoor, zo verwachten sterrenkundigen, zijn er geen zwarte gaten – ontstaan uit exploderende sterren – die meer dan circa vijftig keer zoveel wegen als onze zon.

Tenminste, als axionen niet bestaan. Is dat wél het geval, dan moeten ze ook in zo’n zware ster ontstaan – met name wanneer die in zijn binnenste helium aan het samensmelten is tot zwaardere elementen, vertelt Croon. “En doordat deze deeltjes zo licht zijn en zo weinig interactie hebben met andere materie, kunnen ze zó de ster uit vliegen. Op die manier verliest zo’n ster energie, waardoor hij harder moet werken – sneller helium moet samensmelten – om niet in te storten.” Een harder ‘brandende’ ster maakt meer koolstof en minder zuurstof dan een ster die op een gezapiger tempo door zijn helium heen gaat, vervolgt Croon. “Aangezien zuurstof explosiever is dan koolstof, zal een ster met minder zuurstof een minder krachtige ontploffing doormaken. Daardoor gaat er minder massa verloren en kan er een zwaarder zwart gat ontstaan.”

Hoe zwaar? Als je aanneemt dat axionen bestaan, zijn volgens Croon en collega’s zwarte gaten mogelijk tot 56 zonsmassa’s. Dus, zo redeneren ze: als we ooit zwarte gaten zien van, pak ’m beet, 55 zonsmassa’s, dan kan dat wijzen op het bestaan van axionen.

Ander deeltje

En het zou zomaar kunnen dat we zo’n zwart gat binnenkort gaan zien. Of nu ja, ‘zien’…  Experimenten als LIGO en Virgo meten de afgelopen paar jaar met enige regelmaat zwaartekrachtsgolven – trillingen in de ruimtetijd – afkomstig van samensmeltende zwarte gaten die elk enkele tientallen keren zoveel wegen als de zon. Het zwaarste exemplaar tot nu toe woog 50,6 zonsmassa’s; behoorlijk dicht bij het gebied waar het interessant wordt dus. “Als er zwarte gaten bestaan die zwaarder zijn dan 55 zonsmassa’s, zullen we die waarschijnlijk ergens de komende tien jaar ontdekken”, verwacht Croon dan ook.

Mitsen en maren zijn er natuurlijk wel. De theoretische bovengrens voor zwarte-gat-massa’s-zonder-axionen is niet in steen gebeiteld; in recente publicaties varieert de waarde tussen 45 en 52 zonsmassa’s. Als je een nóg wat zwaarder zwart gat vindt, duidt dat dus niet per se op axionen; het kan ook zo zijn dat de bovengrens voor axion-loze gaten net wat hoger ligt dan we dachten. Verder is een zwart gat van 55 zonsmassa’s niet noodzakelijkerwijs het overblijfsel van één ontploffende ster. Het zou ook kunnen zijn ontstaan toen twee lichtere zwarte gaten samensmolten, al zouden er van dat soort gaten relatief weinig moeten zijn.

Tot slot kan ook een ander nieuw deeltje dan het axion verantwoordelijk zijn geweest voor het wegsluizen van energie uit het binnenste van een superzware ster uit het vroege heelal. Maar goed, dat zou het hele verhaal er eerder nóg interessanter dan minder interessant op maken.

Deze Far Out staat ook in KIJK 9/2020.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bronnen: ArXiv.org, Djuna Croon

Openingsbeeld: NAOJ

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!