Een nieuw tijdperk voor de zoektocht naar donkere materie

4 oktober 2018

Al sinds de jaren 70 zijn astronomen en natuurkundigen bewijs aan het verzamelen voor de aanwezigheid in het heelal van donkere materie: een mysterieuze substantie die zich manifesteert door haar gravitationele aantrekking. Ondanks een uitgebreide inspanning is echter nog geen enkele van de deeltjes die zijn voorgesteld om donkere materie te verklaren ook echt ontdekt. In een review-artikel dat deze week in Nature verscheen, beargumenteren natuurkundigen Gianfranco Bertone (UvA) en Tim Tait (UvA en UC Irvine) dat de tijd rijp is om de experimentele inspanningen te verbreden en diverser te maken, en om ook astronomische surveys en waarnemingen aan zwaartekrachtgolven op te nemen in de zoektocht naar de aard van donkere materie.

Gedurende de afgelopen drie decennia heeft de zoektocht naar donkere materie zich met name gericht op een klasse van kandidaatdeeltjes die bekend staan als weakly interacting massive particles, of WIMPs. WIMPs leken lange tijd de perfecte donkeremateriekandidaten, omdat ze in de juiste hoeveelheid in het vroege heelal geproduceerd zouden zijn, maar daarnaast ook een aantal van de meest fundamentele problemen in de fysica kunnen verzachten – zoals het verrassend grote verschil tussen de energieschaal waarop de zwakke kernkracht een rol speelt, en de schaal waarop de zwaartekracht dat doet.

Geen middel onbeproefd

Hoewel een dergelijke natuurlijke oplossing klinkt als een heel goed idee, heeft geen van de vele experimentele strategieën die bij het zoeken naar WIMPs zijn toegepast nog overtuigend bewijs gevonden voor hun bestaan. Bertone en Tait redeneren daarom in hun artikel dat het tijd is om een nieuw tijdperk in te gaan in de zoektocht naar donkere materie – een tijdperk waarin natuurkundigen de experimentele inspanningen breder en gevarieerder maken, waarbij zoals ze het zelf formuleren geen middel onbeproefd mag blijven.

Wat de tijd rijp maakt voor een dergelijke bredere zoektocht is het feit dat verschillende methodes ervoor sinds kort bestaan, of op dit moment ontwikkeld worden. Bertone en Tait wijzen daarbij in het bijzonder op astronomische surveys, waarin minuscule effecten in de vorm van sterrenstelsels, van de donkeremateriehalo’s daaromheen, en van het door de zwaartekracht afgebogen licht dat er omheen sijpelt, kunnen worden waargenomen om zo meer te leren over de mogelijke aard van donkere materie. Daarnaast noemen ze de nieuwe methode van het waarnemen van zwaartekrachtgolven, voor het eerst in 2016 succesvol uitgevoerd, als een nuttig gereedschap om zwarte gaten mee te bestuderen – hetzij als donkeremateriekandidaat zelf, hetzij als objecten waaromheen een verdeling van andere donkeremateriekandidaten kan worden gevonden. Door deze moderne methoden te combineren met meer traditionele experimenten in deeltjesversnellers zou de zoektocht naar donkere materie in de nabije toekomst weer een grote stap voorwaarts kunnen maken.

Referentie

A new era in the search for dark matter, G. Bertone en T. M. P. Tait, Nature 562, 51-56 (2018). Preprint-versie beschikbaar op https://arxiv.org/abs/1810.01668.

Gepubliceerd door  IOP