De intensieve, wereldwijde zoektocht naar donkere materie, de ontbrekende massa in het universum, is er tot nu toe niet in geslaagd om een overvloed aan donkere, massieve sterren of massa’s vreemde, nieuwe, zwak op elkaar inwerkende deeltjes te vinden, maar een nieuwe kandidaat wint langzaam aan aanhangers en observationele ondersteuning.

Ze worden SIMPs genoemd – sterk interagerende massieve deeltjes – en werden drie jaar geleden voorgesteld door de theoretisch natuurkundige Hitoshi Murayama van de University of California, Berkeley, een professor in de natuurkunde en directeur van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) in Japan, en voormalig UC Berkeley postdoc Yonit Hochberg, nu aan de Hebrew University in Israël.

Murayama zegt dat recente waarnemingen van een nabije galactische pile-up bewijs zouden kunnen zijn voor het bestaan van SIMPs, en hij verwacht dat toekomstige deeltjesfysica-experimenten er een zullen ontdekken.

Murayama besprak zijn laatste theoretische ideeën over SIMPs en hoe de botsende melkwegstelsels de theorie ondersteunen in een uitgenodigde voordracht op 4 dec. 4 december op het 29e Texas Symposium on Relativistic Astrophysics in Kaapstad, Zuid-Afrika.

Astronomen hebben berekend dat donkere materie, hoewel onzichtbaar, ongeveer 85 procent uitmaakt van de massa van het universum. Het beste bewijs voor het bestaan ervan is de beweging van sterren binnen sterrenstelsels: Zonder een onzichtbare klodder donkere materie zouden sterrenstelsels uit elkaar vliegen. In sommige sterrenstelsels zijn de zichtbare sterren zo zeldzaam dat de donkere materie 99,9 procent van de massa van het sterrenstelsel uitmaakt.

Theoretici dachten eerst dat deze onzichtbare materie gewoon normale materie was die te zwak is om te zien: mislukte sterren die bruine dwergen worden genoemd, opgebrande sterren of zwarte gaten. Maar zogeheten massieve compacte halo-objecten – MACHO’s – werden niet ontdekt, en eerder dit jaar sloot een onderzoek van het Andromedastelsel door de Subaru-telescoop een significante onontdekte populatie van zwarte gaten in feite uit. De onderzoekers zochten naar zwarte gaten die overgebleven waren uit het heel vroege heelal, zogenaamde primordiale zwarte gaten, door te zoeken naar plotselinge helderheden die ontstaan wanneer zij voor achtergrondsterren langs bewegen en als een zwakke lens werken. Ze vonden er precies één – te weinig om significant bij te dragen aan de massa van het sterrenstelsel.

“Die studie heeft de mogelijkheid van MACHO’s zo goed als geëlimineerd; ik zou zeggen dat het zo goed als verdwenen is,” zei Murayama.

WIMP’s – zwak interagerende massieve deeltjes – hebben het niet beter gedaan, ondanks dat ze al tientallen jaren in het middelpunt van de belangstelling van onderzoekers staan. Zij moeten relatief groot zijn – ongeveer 100 maal zwaarder dan het proton – en zo weinig met elkaar interageren dat zij “zwak” interageren worden genoemd. Men dacht dat zij vaker met normale materie interageren via de zwaartekracht, en helpen normale materie aan te trekken tot klonters die uitgroeien tot sterrenstelsels en uiteindelijk sterren voortbrengen.

SIMP’s interageren met zichzelf, maar niet met anderen

SIMP’s zouden, net als WIMP’s en MACHO’s, theoretisch vroeg in de geschiedenis van het heelal in grote hoeveelheden zijn geproduceerd en sindsdien zijn afgekoeld tot de gemiddelde kosmische temperatuur. Maar anders dan WIMP’s hebben SIMP’s een sterke wisselwerking met zichzelf via de zwaartekracht, maar een zeer zwakke met normale materie. Eén mogelijkheid die Murayama voorstelt is dat een SIMP een nieuwe combinatie is van quarks, die de fundamentele componenten zijn van deeltjes zoals het proton en het neutron, die baryonen worden genoemd. Terwijl protonen en neutronen zijn samengesteld uit drie quarks, zou een SIMP meer lijken op een pion in het bevatten van slechts twee: een quark en een antiquark.

De SIMP zou kleiner zijn dan een WIMP, met een grootte of doorsnede als die van een atoomkern, wat impliceert dat er meer van hen zijn dan er WIMPs zouden zijn. Grotere aantallen zouden betekenen dat ze, ondanks hun zwakke interactie met normale materie – voornamelijk door verstrooiing ervan, in tegenstelling tot samensmelting met of verval in normale materie – toch een vingerafdruk zouden achterlaten op normale materie, zei Murayama.

Hij ziet zo’n vingerafdruk in vier botsende sterrenstelsels binnen de Abell 3827 cluster, waar, verrassend genoeg, de donkere materie achter lijkt te lopen op de zichtbare materie. Dit zou verklaard kunnen worden, zei hij, door interacties tussen de donkere materie in elk sterrenstelsel die de fusie van donkere materie vertragen maar niet die van normale materie, in principe sterren.

“Een manier om te begrijpen waarom de donkere materie achterblijft bij de lichtgevende materie is dat de donkere materiedeeltjes eigenlijk eindige afmetingen hebben, ze verstrooien tegen elkaar, dus als ze naar de rest van het stelsel willen bewegen worden ze teruggeduwd,” zei Murayama. “Dit zou de waarneming verklaren. Dat is het soort dingen dat wordt voorspeld door mijn theorie dat donkere materie een gebonden toestand is van een nieuw soort quarks.”

SIMP’s overwinnen ook een belangrijke tekortkoming van de WIMP-theorie: het vermogen om de verdeling van donkere materie in kleine sterrenstelsels te verklaren.

“Er is dit langdurige raadsel: als je kijkt naar dwergsterrenstelsels, die heel klein zijn met vrij weinig sterren, worden ze echt gedomineerd door donkere materie. En als je numerieke simulaties doorloopt van hoe donkere materie samenklontert, voorspellen ze altijd dat er een enorme concentratie naar het centrum toe is. Een kusp,” zei Murayama. “Maar waarnemingen lijken erop te wijzen dat de concentratie vlakker is: een kern in plaats van een kusp. Het kern/cusp-probleem wordt beschouwd als een van de grootste problemen met donkere materie die alleen door zwaartekracht op elkaar inwerkt. Maar als donkere materie een eindige grootte heeft, zoals een SIMP, kunnen de deeltjes gaan ‘klonteren’ en zich verspreiden, en dat zou het massaprofiel naar het centrum toe juist afvlakken. Dat is weer een stukje ‘bewijs’ voor dit soort theoretische ideeën.”

Ongaande zoektochten naar WIMPs en axionen

Experimenten op de grond om naar SIMPs te zoeken zijn gepland, meestal bij versnellers zoals de Large Hadron Collider bij CERN in Genève, waar natuurkundigen altijd op zoek zijn naar onbekende deeltjes die passen bij nieuwe voorspellingen. Een ander experiment bij de geplande International Linear Collider in Japan zou ook kunnen worden gebruikt om naar SIMPs te zoeken.

Terwijl Murayama en zijn collega’s de theorie van SIMPs verfijnen en naar manieren zoeken om ze te vinden, gaat de zoektocht naar WIMPs door. Het Large Underground Xenon (LUX) donkere materie experiment in een ondergrondse mijn in South Dakota heeft strenge grenzen gesteld aan hoe een WIMP eruit kan zien, en een verbeterd experiment genaamd LZ zal die grenzen verder verleggen. Daniel McKinsey, een hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley, is een van de mede-woordvoerders voor dit experiment, en werkt nauw samen met Lawrence Berkeley National Laboratory, waar Murayama een faculteit senior wetenschapper is.

Fysici zijn ook op zoek naar andere donkere materie kandidaten die geen WIMPs zijn. UC Berkeley-faculteiten zijn betrokken bij twee experimenten op zoek naar een hypothetisch deeltje, axion genaamd, dat aan de eisen voor donkere materie zou kunnen voldoen. Het Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), geleid door Dmitry Budker, emeritus hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Mainz in Duitsland, en theoreticus Surjeet Rajendran, hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley, is van plan te zoeken naar verstoringen in kernspin veroorzaakt door een axionveld. Karl van Bibber, een professor in nucleaire techniek, speelt een sleutelrol in het Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), dat axionen probeert te detecteren in een microgolfholte binnen een sterk magnetisch veld wanneer ze zich omzetten in fotonen.

“Natuurlijk moeten we het zoeken naar WIMPs niet opgeven,” zei Murayama, “maar de experimentele grenzen worden echt, echt belangrijk. Als je eenmaal op het niveau van meting komt, waar we in de nabije toekomst zullen zijn, worden zelfs neutrino’s uiteindelijk de achtergrond van het experiment, wat onvoorstelbaar is.”

Neutrino’s hebben zo’n zeldzame wisselwerking met normale materie dat er naar schatting 100 biljoen per seconde door ons lichaam vliegen zonder dat we het merken, iets wat ze extreem moeilijk te detecteren maakt.

“De consensus in de gemeenschap is een soort van, we weten niet hoe ver we moeten gaan, maar we moeten in ieder geval tot dit niveau komen,” voegde hij eraan toe. “Maar omdat er absoluut geen tekenen zijn dat er WIMPs verschijnen, beginnen mensen tegenwoordig breder te denken. Laten we er nog eens bij stilstaan en er nog eens over nadenken.”