Axionen, superlichte donkere materiedeeltjes die zich gedragen als golven, lijken een betere verklaring voor zwaartekrachtlensmetingen dan meer traditionele donkere-materie-kandidaatdeeltjes.
Het bewijs groeit voor een ultralicht donkere-materiedeeltje met de naam axion, blijkt uit een nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature. Vervormingen in licht door sterrenstelsels blijken beter verklaarbaar door donkere materie bestaand uit axionen, dan uit zogeheten WIMPs, ofwel weakly interacting massive particles, die al lang de belangrijkste kandidaat voor donkere materie zijn.
Onderzoekers hebben het sterke vermoeden dat donkere materie bestaat, vanwege de zwaartekrachtseffecten die ze waarnemen. Maar tot nu toe zijn alle pogingen om een donker materiedeeltje rechtstreeks te detecteren mislukt.
‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...
Zwaartekrachtlens
Astrofysicus Amruth Alfred van de Universiteit van Hong Kong en collega’s onderzochten donkere materie op een indirecte manier, met hulp van zogeheten zwaartekrachtlenzen. Hierbij vervormt en vergroot het zwaartekrachtveld van een tussenliggend sterrenstelsel het licht van een verafgelegen object. Door deze zwaartekrachtlens ontstaan er verschillende, vervormde beelden van het achtergrondobject rond het tussenliggende sterrenstelsel, de zogenoemde Einstein-ring.
Sterrenstelsels worden vermoedelijk omgeven door halo’s van donkere materie. Dus de eigenschappen van die donkere materie zouden van invloed moeten zijn op de manier waarop het sterrenstelsel het licht vervormt. Axionen zijn vele malen minder zwaar dan WIMP’s, dus wordt verwacht dat zij zich anders gedragen. Terwijl WIMP’s zich gedragen als deeltjes, zijn axionen zo licht dat zij zich volgens de quantummechanica meer als golven zouden moeten gedragen.
Als het tussenliggende stelsel omgeven is door axionen, zouden we verwachten dat dit invloed heeft op vervorming van de beelden van de achtergrondstelsels. ‘Als je een zwembad hebt met golven erin, en je legt er een steen in, dan kun je de rimpelingen van de golf zien als je naar de steen kijkt’, zegt astrofysicus Razieh Emami van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Massachusetts, die deel uitmaakte van het onderzoeksteam. ‘Bij deze waarnemingen zouden de golfstructuren van de axionen direct invloed hebben op de positie en de helderheid van de vervormde beelden.’
Donkere-materie-kandidaten
Het is al langer bekend dat de patronen die gezien worden bij zwaartekrachtlenzen afwijken van de voorspellingen van WIMP-modellen. De onderzoekers ontdekten dat die afwijkingen verdwijnen als ze de WIMP-modellen vervangen door axionmodellen. Ze testten de modellen ook op een echt zwaartekrachtlenssysteem, en ontdekten dat het axionmodel veel beter paste.
‘Aangezien donkere materie zich alleen laat zien via de zwaartekracht (en in sommige modellen via de zwakke kernkracht) is dit een van de zuiverste tests die je kunt doen om de aard van donkere materie te onderzoeken’, zegt Alfred. ‘Golf-achtige donkere materie blijft overeind bij alle tests die we erop loslaten.’
Dit is goed nieuws voor axionen, die als donkere materie-kandidaten decennialang zijn overschaduwd door WIMP’s. ‘De waarnemingen van zwaartekrachtlenzen doen de weegschaal kantelen van zwaardere deeltjes naar lichtere’, zegt Emami. ‘Tot nu toe zijn er geen andere verklaringen voor dit verschijnsel.’
Laaghangend fruit
‘Ik denk niet dat dit telt als het bewijs dat ultralichte axionen bestaan, maar het is een overtuigend resultaat’, zegt theoretisch natuurkundige Chanda Prescod-Weinstein van de Universiteit van New Hampshire, die niet bij het onderzoek betrokken was. ‘Het toont wel aan dat axionen serieus te nemen zijn als donkere-materie- kandidaten.’
Er zijn in de afgelopen jaren enorme inspanningen geleverd om WIMP’s op te sporen, zonder succes. Dit nieuwe onderzoek maakt deel uit van een renaissance voor axionen en andere donkere materie-kandidaten die nog niet zo grondig zijn onderzocht.
‘Axionen vormen een van de eenvoudigste uitbreidingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica, en hun mogelijke bestaan is nog niet goed onderzocht’, zegt astrofysicus Jae Sub Hong, ook verbonden aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, en niet betrokken bij het onderzoek.
