Met verschillende experimenten zoeken natuurkundigen zich suf naar mysterieuze deeltjes. Vijf voorbeelden.

Voor talloze raadsels in de natuurkunde is een oplossing bedacht in de vorm van een nieuw deeltje. Maar die moeten fysici dan nog wel ‘eventjes’ vinden, en dat blijkt niet zo gemakkelijk als het klinkt. Deze vijf deeltjes zijn daar voorbeelden van.

Lees ook:

• Zijn sporen van donkere materie te vinden in stokoude stenen?
• Hoe verder met de zoektocht naar donkere materie?

WIMPs

Dat het grootste deel van ons heelal bestaat uit donkere materie, daar is het gros van de wetenschappers het al zo’n veertig jaar over eens. Maar alle zoektochten tot nu toe hebben nog niets opgeleverd. Jarenlang dachten astronomen dat dit donkere-materie-probleem kon worden opgelost door een nieuw deeltje te introduceren dat vlak na de oerknal in grote hoeveelheden voorkwam in ons heelal: het weakly interacting massive particle, afgekort WIMP.

Zulke WIMPs zouden dan voortdurend op elkaar botsen, waarbij ‘gewone’ deeltjes ontstaan. Zo zouden de WIMPs langzaam uit ons universum verdwijnen – ware het niet dat ons heelal uitdijt. Daardoor wordt het op den duur zo ijl, dat de overgebleven WIMPs elkaar niet meer konden vinden. En dus kon een deel van deze WIMPs blijven bestaan, om nu de donkere materie te vormen.

Eerdere experimenten hebben de deeltjes nog niet kunnen opsporen, maar astronomen en natuurkundigen geven niet op. Het Italiaanse ondergrondse onderzoekscentrum Gran Sasso National Laboratory hoopt de WIMPs te vinden met het XENONnT-experiment. Ook de Amerikanen willen de deeltjes detecteren, met behulp van het LZ-experiment.

Axionen

Omdat WIMPs nog altijd niet zijn gevonden, treden andere donkere-materie-kandidaten op de voorgrond. Zoals de axionen. Dit deeltje hangt samen met een mysterie binnen de natuurkunde dat niets met donkere materie te maken heeft: het sterke CP-probleem. Dat komt erop neer dat onze huidige natuurwetten een getalletje bevatten, theta, dat nul of in elk geval bijna nul blijkt te zijn. Vreemd, want volgens onze theorieën zou theta elke willekeurige waarde kunnen hebben.

Eind jaren zeventig werd er daarom een truc bedacht om theta ‘op nul te zetten’. Bij wijze van bonus bleek die truc een nieuw deeltje op te leveren, het axion, dat ook het donkere-materie-deeltje zou kunnen zijn.

Axionen zelf zijn moeilijk waar te nemen. Alle huidige experimenten die axionen proberen te vinden, maken daarom gebruik van een handige eigenschap van deze deeltjes: onder invloed van sterke magneetvelden kunnen ze veranderen in fotonen (‘lichtdeeltjes’) en die zijn wél te meten. Onder meer het ADMX-project in de VS maakt hier gebruikt van om de axionen te betrappen.

Steriele neutrino’s

Neutrino’s zijn niet bepaald de makkelijkste deeltjes om mee te werken. Ze trekken zich zo weinig aan van andere deeltjes dat ze ongehinderd door een plak lood van lichtjaren dik kunnen vliegen. Deeltjesfysici moeten zich dan ook in allerlei bochten wringen om tenminste een paar van dit soort deeltjes op te vangen in hun experimenten.

Maar het kan erger. Natuurkundigen vermoeden dat er een soort neutrino’s bestaat dat nog moeilijker is te vinden. Mochten we er tóch in slagen om ze waar te nemen, dan kan de beloning enorm zijn. We zouden er namelijk een aantal grote natuurkundige problemen mee kunnen oplossen, van het vreemde gebrek aan antimaterie in ons heelal tot het raadsel van de donkere materie. De naam van deze deeltjes: steriele neutrino’s.

Wat voor neutrino’s zijn dat dan? Om dat in te zien, moet je weten dat de de neutrino’s die we kennen altijd ‘linkshandig’ zijn. Dat wil zeggen: als je de duim van je linkerhand laat wijzen in de richting waarin deze neutrino’s zich voortbewegen, geven je vingers de draairichting van het deeltje aan. 

Rechtshandige neutrino’s zouden dan de andere kant op draaien – maar die lijken in dit heelal niet voor te komen. Vreemd, want alle andere bekende deeltjes kennen wél een rechtshandige variant. Een manier om die vreemde eigenschap van het neutrino weg te werken, is door te zeggen dat er wel degelijk rechtshandige neutrino’s zijn: steriele neutrino’s. Alleen hebben we die nog altijd niet waargenomen. 

Een onvindbaar deeltje zou je zeggen. Ware het niet dat we steriele neutrino’s mogelijk toch kunnen waarnemen. Ze zouden namelijk na héél lange tijd moeten vervallen tot andere deeltjes. In eerste instantie lijken we niet heel veel op te schieten met die eigenschap. Dat verval levert meestal alleen maar neutrino’s op, en die zijn zelf dus ook heel moeilijk waar te nemen. Maar af en toe vervalt ergens in het heelal een steriel neutrino tot één gewoon neutrino en een foton (een ‘lichtdeeltje’). En dat foton zouden we moeten kunnen zien, in de vorm van röntgenstraling. 

Magnetische monopolen

Een deeltje dat alleen een magnetische noord- of zuidpool heeft, klinkt niet heel gek. Totdat je je bedenkt dat alle magneten die we kennen zowel een noordpool als een zuidpool hebben. En breek je zo’n magneet in tweeën dan heeft elke helft automatisch ook weer een noord- en een zuidpool.

Lang dachten fysici dan ook dat losse magnetische polen niet voorkwamen. Totdat de Britse natuurkundige Paul Dirac in 1931 met behulp van de wetten van de quantummechanica uitrekenden dat ze wel degelijk konden bestaan. Daarmee bewees de natuurkundige meteen ook waarom elektrische ladingen alleen in vaste eenheden voorkomen. Desalniettemin werden de deeltjes nooit gevonden.

Het experiment MoEDAL – te vinden in de bekendste deeltjesversneller ter wereld, de LHC – moet daar verandering in brengen. MoEDAL bestaat uit niet veel meer dan een soort archiefkast gevuld met stapels plastic vellen en een aantal dozen vol aluminium staven. Beide zijn opgesteld rond een van de punten in de LHC waar deeltjes op elkaar botsen, in de hoop dat bij zo’n botsing een monopool ontstaat. Die zou dan namelijk een spoor van gaten kunnen achterlaten in zo’n stapel plastic vellen of kunnen blijven steken in een staaf aluminium.

Spiegeldeeltjes

Zoals er voor (bijna) elk deeltje een antideeltje bestaat, zo zou er ook voor elk deeltje én antideeltje een deeltje zijn dat volmaakt gespiegeld aan ze is. De zogenoemde spiegeldeeltjes. En deeltjes zouden niet eens zeldzaam of moeilijk te produceren hoeven te zijn. Er zouden spiegelatomen en spiegelmoleculen zijn, maar ook spiegelsterren en spiegelplaneten.

Alleen merken we daar bar weinig van: spiegelmaterie zou onzichtbaar en onvoelbaar zijn. Toch zijn er manieren waarop spiegelmaterie zijn invloed doet gelden in ons universum. Zo zouden de deeltjes verantwoordelijk zijn voor een mysterieuze asteroïde-explosie die tientallen miljoenen bomen velde. Dit zijn echter allemaal wilde theorieën.

Spiegeldeeltjes worden er overigens ook van verdacht de oplossing van het donkere-materie-probleem te zijn. Echter hebben experimenten geen glimp opgevangen van deze spiegelmaterie.

Wil je nog veel meer weten over deze ongrijpbare deeltjes? Dan is De Deeltjessafari van wetenschapsjournalist Jean-Paul Keulen een aanrader. Je vindt het boek hier.

Bron: Jean-Paul Keulen

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