Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. In deze rubriek elke maand een mooi voorbeeld. Ditmaal: waarom is er ‘maar’ vijf keer zoveel donkere materie als gewone materie?

Geregeld gaat het in deze rubriek over donkere materie. Meestal is de teneur dan: wat gênant eigenlijk, dat we niet weten waar dit mysterieuze, onzichtbare spul uit bestaat, terwijl het toch het hoofdbestanddeel van ons heelal is.

De nadruk heeft nog nooit gelegen op het feit dat er weliswaar méér donkere materie is dan de materie waar alles om ons heen van gemaakt is, maar ook weer niet véél meer. Voor elke kilogram gewone materie bevat ons heelal vijf kilo donkere materie. Waarom niet honderd kilo, of een miljoen kilo…?

Om te verklaren waarom de hoeveelheden donkere en gewone materie zo dicht bij elkaar liggen, introduceren natuurkundige Arushi Bodas van de Universiteit van Maryland in de VS en collega’s in een recent wetenschappelijk artikel een hele verzameling aan donkere deeltjes en dito krachten. Waarbij het donkere neutron uiteindelijk de rol van hét donkere-materie-deeltje op zich neemt.

Meer van Far Out:

• Kan donkere materie samenklonteren tot donkere atomen?
• Zit er een oeroud zwart gat in het binnenste van de zon?

Donkere kopie

Is het dan inderdaad zo gek dat er ‘maar’ vijf keer zoveel donkere materie als zichtbare materie is? Op zich wel, zegt theoretisch natuurkundige Marieke Postma van Nikhef en de Radboud Universiteit, niet betrokken bij het nieuwe onderzoek. “Als gewone en donkere materie door verschillende mechanismen worden geproduceerd, is het best toevallig dat ze in ongeveer dezelfde hoeveelheden voorkomen in het heelal. Ik vind dat een goede reden om te kijken of er een verband is tussen hoe gewone materie en donkere materie ontstaan.”

Bodas en collega’s pakken dat als volgt aan. Ze beginnen door van elk deeltje en van elke kracht die we kennen uit de zichtbare wereld – en die samen het standaardmodel worden genoemd – een donkere kopie te maken. Zo krijg je een zogenoemde ‘donkere sector’ van donkere protonen, donkere fotonen, donkere neutrino’s enzovoort.

Maar dat is niet genoeg als je donkere materie wil verklaren, legt Bodas uit. “Donkere protonen zouden, net als gewone protonen, atomen vormen. En atomen gedragen zich heel anders dan donkere materie volgens onze waarnemingen doet.”

Wat je dus wil, is een donkere sector die géén atomen vormt. Die voornamelijk bestaat uit losse deeltjes die zich niet al te veel van elkaar aantrekken.

Ietsje zwaarder

Om te begrijpen hoe je dat voor elkaar krijgt, zoomen we even in op de atoomkern. Die bestaat uit protonen en neutronen, die binnen zo’n kern beide stabiel zijn: ze vervallen niet zomaar naar andere deeltjes. Búíten een atoomkern is het een ander verhaal. Daar is het proton wel, maar het neutron niet stabiel; dat laatste deeltje verandert gemiddeld na een kwartier in een proton. De oorzaak van dat verschil: het neutron is net ietsje zwaarder dan het proton. Daardoor kan dat wel in een proton veranderen, maar een proton niet in een neutron.

De truc die Bodas en haar team uithalen, is ervoor zorgen dat het donkere proton niet lichter, maar zwaarder is dan het donkere neutron. Daardoor is het donkere neutron stabiel en het donkere proton niet. Zo kun je een heelal krijgen waarin vlak na de oerknal alle donkere protonen vervallen tot donkere neutronen – vóórdat ze donkere atomen kunnen vormen.

In plaats daarvan krijg je los door de ruimte vliegende donkere neutronen. Die moet je dan wel wat zwaarder maken dan ‘onze’ neutronen, anders kom je niet uit op vijf keer zoveel donkere materie als gewone materie. Maar dat is volgens Bodas een vrij eenvoudige aanpassing.

Opwarm-deeltje

Op zich klinkt dit als een vrij efficiënte oplossing van het donkere-materie-probleem die meteen verklaart waarom de hoeveelheden gewone en donkere materie bij elkaar in de buurt liggen. Je verzint geen nieuwe deeltjes, maar maakt donkere versies van de deeltjes die je al kent. Vervolgens verander je een paar massa’s en hop: een van de grootste kosmologische kwesties is de wereld uit geholpen.

Helaas is er meer sleutelwerk nodig om de boel kloppend te krijgen. In het vroege heelal heeft bijvoorbeeld de gewone materie een boel straling geproduceerd. Als donkere materie een bijna-kopie is van gewone materie, zou je verwachten dat die dus destijds ongeveer evenveel (donkere) straling heeft geproduceerd. Maar die straling lijkt er niet te zijn.

Dat probleem lost team-Bodas op met een extra deeltje: een zogenoemd reheaton. Dat is een deeltje dat het vroege heelal ‘opwarmt’ door te vervallen naar andere deeltjes. Zorg je er vervolgens voor dat zo’n reheaton veel makkelijker vervalt naar gewone deeltjes dan naar donkere deeltjes, dan warmt het de gewone materie veel meer op dan de donkere materie. Dat verklaart dan waarom die gewone materie vervolgens veel meer energie uitstraalt dan zijn donkere tegenhanger.

Elegant of barok?

Zo zijn er nog wat kunstgrepen nodig om ervoor te zorgen dat een heelal vol donkere neutronen goed matcht met het heelal om ons heen. Over de vraag hoe elegant het hele idee dan nog is, lopen de meningen uiteen. “Donkere materie gedraagt zich heel anders dan gewone materie”, zegt Bodas zelf. “We wisten dus van tevoren dat we onze ‘donkere kopie’ op punten zouden moeten aanpassen. Verrassend is vooral dat we de enorme verschillen tussen gewone en donkere materie kunnen verklaren met maar een paar kleine aanpassingen.”

Postma noemt het eindresultaat daarentegen juist “heel barok”. “Er worden allerlei nieuwe deeltjes en velden geïntroduceerd met heel specifieke eigenschappen, en allerlei aannames gedaan.” Uiteindelijk geldt hoe dan ook dat je het hele verhaal moet zien te staven met waarnemingen.

“We zouden bijvoorbeeld een donkere tegenhanger van een standaardmodeldeeltje kunnen ontdekken in de LHC of een toekomstige deeltjesversneller”, zegt Bodas. Zo’n detectie zou dan een teken kunnen zijn dat donkere materie inderdaad uit donkere neutronen bestaat – en dat het niet zo gek is dat er meer, maar niet véél meer donkere dan gewone materie is.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor deze rubriek raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Arushi Bodas e.a.: A Closer Look in the Mirror. Reflections on the Matter/Dark Matter Coincidence, ArXiv.org

Deze Far Out staat ook in KIJK 5/2024. Bestel deze editie in onze webshop, of eenvoudig via de knop hieronder.

Openingsbeeld: Beeld: X-RAY: NASA/CXC/CFA/M.MARKEVITCH, OPTICAL AND LENSING MAP: NASA/STSCI, MAGELLAN/U.ARIZONA/D.CLOWE, LENSING MAP: ESO WFI