Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. Ditmaal: de zoektocht naar een donkere-materie-deeltje dat geen donkere-materie-deeltje is.

Nog steeds is het donkere-materie-probleem niet opgelost. Oftewel: nog steeds weten we niet waar het overgrote deel van ons heelal uit bestaat. En nog steeds denken verreweg de meeste natuur- en sterrenkundigen dat deze mysterieuze vorm van ‘onzichtbare’ materie bestaat uit deeltjes die we nog niet hebben ontdekt. Maar wát voor deeltjes?

Een mogelijkheid die je de laatste jaren steeds vaker hoort, zijn de zogenoemde axionen. Naar bewijs voor deze deeltjes is onder meer het Amerikaanse Axion Dark Matter eXperiment (ADMX) al jaren naarstig op zoek. Maar, zo bedachten deeltjesfysicus Tatsumi Nitta van de Universiteit van Tokio en collega’s: misschien kun je met ditzelfde experiment axionen zien die géén donkere materie vormen. Hoe zit dat?

Meer van Far Out:

• Nieuwe theorie: alles in het heelal verdampt langzaam – ook mensen
• Zijn er misschien toch deeltjes sneller dan het licht?

Veld plus deeltje

Het axion waart al ruim 45 jaar rond door de natuurkunde. Aanvankelijk werd het bedacht om een theoretisch probleem op te lossen: het zogenoemde ‘sterke CP-probleem’. Eigenlijk is dat iets te ingewikkeld om hier uit te leggen, maar laten we toch een dappere poging doen. In de natuurkunde zijn er twee krachten die hun werk alleen binnen atoomkernen doen: de sterke en de zwakke kernkracht. Van deze krachten verwachtten natuurkundigen aanvankelijk dat ze precies hetzelfde met een deeltje zouden blijven doen als je dat deeltje én spiegelde, én de tegenovergestelde lading gaf. In de jaren zestig bleek echter dat die regel niet altijd opgaat voor de zwakke kernkracht. Dan zou de sterke kernkracht diezelfde regel óók aan zijn laars kunnen lappen. Maar voor zover we weten, doet ie dat nooit.

Om dat laatste te verklaren, introduceerden natuurkundigen in de jaren zeventig een nieuw veld: een overal aanwezig ‘iets’ dat de sterke kracht in het gareel hield. En als dat veld bestond, zou er ook een bijbehorend deeltje moeten zijn: het axion. Een deeltje dat extra interessant werd toen bleek dat het ook het deeltje kon zijn waar donkere materie uit bestaat. Twee vliegen in één klap, daar houden fysici wel van.

Nogal gekunsteld

Stel nu dat de ruimte inderdaad is gevuld met axionen die de rol van donkere materie spelen. Dan zou het experiment ADMX die kunnen opmerken. Probleem is dat we niet weten hoeveel zo’n donkere-materie-axion weegt. En omdat ADMX per meting maar gevoelig is voor één axion-massa, moet dit experiment alle mogelijke massa’s voor dit deeltje een voor een nalopen. Tot nog toe zonder resultaat – anders had je er wel op de voorpagina’s van de kranten over gelezen.

Maar met die ADMX-data zou je nog iets anders kunnen doen, bedachten Nitta en collega’s. Wat nu als donkere materie bestaat uit een heel ander deeltje – dat uiteen kan vallen in axionen. Zou je sporen van díé axionen kunnen zien als je met een fijn kammetje door de al verzamelde gegevens heen gaat? Dan heb je niet de donkere-materie-deeltjes zelf te pakken – maar wel hun ‘kinderen’. En dat zou ook al mooi zijn.

Helaas werkt het simpelste scenario niet. Als donkere materie direct in axionen uiteen zou kúnnen vallen… dan is dat zó’n ‘gemakkelijke’ manier van vervallen, dat elk donkere-materie-deeltje er direct na de oerknal gebruik van had gemaakt. Het feit dat er 13,8 miljard jaar later nog steeds donkere materie is, laat dus zien dat dit proces blijkbaar niet plaatsvindt. Wat wel kan, is dat het donkere-materie-deeltje eerst uiteenvalt in twee andere deeltjes, die op hun beurt uiteenvallen in elk twee axionen. We hebben het hier dus inmiddels over de kleinkinderen van de donkere-materie-deeltjes.

Aan de ene kant is dat een “extreem ingewikkeld en nogal gekunsteld scenario”, zegt een benaderde natuurkundige die liever niet met naam in KIJK komt. “Aan de andere kant: als je zo’n analyse kunt doen met data van een experiment die toch al is verzameld, waarom niet? Wie weet loop je tegen een verrassing aan.” Zoals gezegd: twee vliegen in één klap, daar houden fysici wel van.

Nieuwe vliegen

Helaas blijkt de werkelijkheid weerbarstiger. “Eerst dachten we dat het mogelijk zou moeten zijn om zulke axionen in de ADMX-data te vinden”, zegt Nitta. “Maar terwijl we met onze analyse bezig waren, kwamen we verschillende factoren op het spoor die de gevoeligheid voor dit soort axionen ondermijnde.”

Nu betekent dat niet meteen het einde van de hele onderneming. In het wetenschappelijke artikel over hun zoektocht beschrijven Nitta en zijn collega’s hoe je de ADMX-detector zou kunnen verbeteren om wél axionen te meten die uit donkere materie zijn voortgekomen. Maar ja, dan ga je dus knutselen aan je experiment – terwijl het aantrekkelijke van het idee nu juist was dat je aan de slag kon gaan met data die toch al op de plank lagen.

Wel, zo stellen de onderzoekers in hun artikel, kan hun methode ook worden gebruikt om op zoek te gaan naar andere signalen. Welke signalen? Dat staat er niet bij. Desgevraagd noemt Nitta zwaartekrachtgolven als mogelijkheid, maar hij zegt dat het zinnetje vooral theoretici moet aansporen om met nieuwe ideeën te komen. Zodat hij en zijn collega’s weten wélke vliegen ze precies in één klap kunnen doodslaan…

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor deze rubriek raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Tatsumi Nitta e.a.: Search for the Cosmic Axion Background with ADMX, ArXiv.org (11 maart 2023).

Deze Far Out staat ook in het dubbeldikke winternummer van KIJK. Bestel hem eenvoudig online via de knop hieronder.