Verdraaide zwaartekrachtsgolven kunnen twee grote materieraadsels oplossen

De theorie dat zwaartekrachtsgolven een bepaalde draaiing hebben, slaat mogelijk twee vliegen in één klap. Het idee kan zowel de afwezigheid van antimaterie als de aanwezigheid van donkere materie verklaren.

Fysici hebben een nieuwe mogelijke oplossing bedacht voor de zaak rond de ontbrekende antimaterie in het heelal. Dit kan ze helpen bij het identificeren van iets anders dat ze maar niet kunnen vinden: donkere materie. De oplossing draait om een krul in de staart van zwaartekrachtsgolven.

zwaartekrachtsgolven
Draaiende zwaartekrachtsgolven kunnen een interessante twist hebben gegeven aan de vorming van het heelal. Beeld: Henze/NASA.

Na de oerknal zouden materie en antimaterie in het heelal in gelijke mate geproduceerd moeten zijn. Antimaterie is echter nergens te vinden.

Fysici denken dat bepaalde oerprocessen resulteerden in een klein overschot aan materie ten opzichte van antimaterie. Wanneer materie antimaterie ontmoet, worden beide vernietigd. Het overtollige restje materie zou ons dan sterren en sterrenstelsels hebben gegeven. Maar de vraag is dan: hoe is deze verkeerde verhouding tot stand gekomen?

Chirale asymmetrie

Bij een eerder antwoord op die vraag waren neutrino’s betrokken. Deze spookachtige deeltjes hebben een eigenschap genaamd chiraliteit. Dat betekent dat ze in een bepaalde richting kunnen draaien. De meeste deeltjes kunnen zowel links- als rechtsdraaiend zijn, maar neutrino’s zijn alleen linksdraaiend.

LEESTIP In dit boek vertelt Govert Schilling alles over zwaartekrachtsgolven. €24,95 Bestel nu in onze webshop

Deze benadering inspireerde fysicus Evan McDonough van de Brown University in de VS. Hij vroeg zich af wat er zou gebeuren als chirale asymmetrie niet beperkt blijft tot deeltjes, maar ook optreedt bij zwaartekrachtsgolven: rimpelingen in de structuur van de ruimtetijd. Als er in het pasgeboren heelal zwaartekrachtsgolven waren met een bepaalde chiraliteit, kan dat een overschot aan materie boven antimaterie hebben veroorzaakt. ‘Er zijn veel manieren om chirale zwaartekrachtsgolven op te wekken. Die leiden allemaal tot een materie-antimaterie-asymmetrie’, zegt McDonough.

WIMPs

Samen met Stephon Alexander van de Brown University en David Spergel van de Princeton University vroeg McDonough zich vervolgens af of datzelfde natuurkundige mechanisme ook donkere materie kan verklaren. Donkere materie is de grote hoeveelheid onzichtbare materie in het heelal waarvan we denken dat die er is omdat we de invloed van zijn zwaartekracht op gewone materie kunnen waarnemen.

Al tientallen jaren denken veel fysici dat donkere materie bestaat uit weakly interacting massive particles (WIMPs). Dat idee volgt uit de aanname dat het heelal supersymmetrisch is. Dat betekent dat alle bekende deeltjes zwaardere tweelingbroers hebben. Alle zoektochten naar supersymmetrie of WIMPs hebben tot dusver echter nergens toe geleid.

Een samengestelde afbeelding van het Abell 520-cluster. De rode gloed komt van tussenliggende sterrenstelsels, de groene gloed van gas en de blauwe gloed van donkere materie. Beeld: Nasa

Om te zien of ze op een andere manier op donkere materie uit konden komen, maakten de fysici een computermodel waarin het piepjonge heelal zogeheten donkeremateriequarks bevatte – een ander type deeltje dan de huidige donkere materie. Als deze deeltjes dezelfde chiraliteit hadden als neutrino’s, zouden ze door te reageren met de chirale zwaartekrachtsgolven de huidige donkeremateriedeeltjes produceren.

‘Het is een gaaf idee’, zegt Michael Peskin van de Stanford University in de VS. ‘Momenteel kan donkere materie van alles zijn. Elk nieuw idee dat je in dit vakgebied aandraagt, opent een nieuwe deur. Dan moet je door die deur lopen en zien of je interessante dingen tegenkomt die vragen om nieuwe experimenten. Ook dit idee opent zo’n deur.’

Donkere quarks

LEESTIP In ‘Donkere materie en de dinosaurussen’ beschrijft Lisa Randall de verrassend grote invloed van mysterieus kosmisch spul. €24,95. Bestel nu in onze webshop.

In de nieuwe theorie krijg je net als bij materie en antimaterie een asymmetrie tussen donkere quarks en ‘anti-donkere quarks’. Uiteindelijk blijft het heelal achter met een klein overschot aan donkere quarks. Doordat het universum vervolgens afkoelt, condenseren deze donkeremateriequarks tot een zogeheten supervloeistof. Dat zou een achtergrondveld hebben gevormd dat tegenwoordig nog altijd bestaat. Net zoals we fotonen zien als aangeslagen toestanden van een elektromagnetisch veld, zouden aangeslagen toestanden van dit veld overeenkomen met donkeremateriedeeltjes.

De berekeningen wijzen uit dat zo’n donkeremateriedeeltje zoals vereist niet reageert met gewone materie. Ook zou het veel minder zwaar zijn dan een WIMP. ‘Het is veel wimpiër dan WIMPs’, zegt Spergel.

Vingerafdruk

Door deze eigenschappen zou het onmogelijk zijn om deze deeltjes rechtstreeks waar te nemen. Op kosmologische schaal moeten de deeltjes zich echter anders gedragen dan WIMPs. Ze zouden bijvoorbeeld in een sterrenstelsel evenwichtiger verspreid moeten zijn. In tegensteling tot WIMPs zouden ze zich niet op kleine schaal bundelen.

LEESTIP In het Pocket Science-deel Ruimtetijd vertelt Yannick Fritschy op toegankelijke wijze hoe Einstein ruimte en tijd bijeenbracht. €10. Bestel nu in onze webshop.

Ook houdt de nieuwe theorie in dat de verhouding tussen gewone materie en donkere materie niet overal in het heelal hetzelfde hoeft te zijn. De samenstelling van het universum kan dus van plek tot plek verschillen.

Deze eigenschappen kunnen ons volgens Spergel een manier geven om donkere materie te ontmaskeren. De gelijke verdeling van donkere materie zou bijvoorbeeld leiden tot een vingerafdruk in de kosmische achtergrondstraling, de straling die de oerknal heeft achtergelaten. Ook zou het de vorming van grootschalige structuren zoals sterrenstelsels of clusters van stelsels kunnen beïnvloeden.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

Plaats een reactie