De ontdekking van antimaterie in kosmische stralen blazen de zoektocht naar ‘WIMPs’ als donkere materie nieuw leven in.
Een van de grootste uitdagingen waar astronomen momenteel mee worstelen, is het begrijpen van donkere materie. Dit is een mysterieuze soort materie die we nog nooit rechtstreeks hebben waargenomen en waarvan we niet precies weten wat het is. Hoewel deze materie onzichtbaar is, zijn we er zeker van dat het bestaat; onderzoekers concluderen dit uit de bewegingen van sterren in sterrenstelsels. Zonder donkere materie zouden deze sterrenstelsels namelijk uit elkaar vliegen. De hamvraag is echter: waar bestaat donkere materie eigenlijk uit? Zou het misschien toch die eerder voorgestelde WIMPs kunnen zijn?
WIMPs
Verschillende theorieën zijn de afgelopen decennia de revue gepasseerd. Zo waren er onder andere de WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles. “WIMPs zijn theoretische deeltjes die nog nooit zijn waargenomen, maar ze worden gezien als een veelbelovende kandidaat voor donkere materie,” zegt onderzoeker Pedro De la Torre Luque. Deze deeltjes zouden relatief groot zijn – ongeveer 100 keer zwaarder dan een proton – maar slechts zelden de interactie met elkaar aangaan. De deeltjes zouden – middels de zwaartekracht – iets vaker de interactie met normale materie opzoeken en ervoor zorgen dat die materie samenklontert en uitgroeit tot sterrenstelsels waarin uiteindelijk sterren geboren worden.
Wonder
Een paar jaar geleden konden wetenschappers hun geluk niet op: WIMPs leken perfect te passen als donkere materie. Men dacht dat, nu we wisten wat ze konden zijn en hoe we ze konden opsporen, we binnen een paar jaar het eerste directe bewijs van hun bestaan zouden vinden. Maar helaas… Hoewel er intensief naar deze WIMPs is gezocht, leverde die zoektocht niets op. Sterker nog, onderzoeken in de afgelopen jaren hebben aangetoond dat hele groepen van deze deeltjes niet bestaan of niet relevant zijn voor de zoektocht naar donkere materie. Tegenwoordig is het, hoewel het bestaan van WIMPs nog niet helemaal is uitgesloten, veel minder waarschijnlijk dat er verschillende soorten WIMPs zijn. Ook de methoden om ze te detecteren zijn aanzienlijk verminderd. “Van de vele goed onderbouwde modellen die eerder zijn voorgesteld, zijn de meeste inmiddels uitgesloten en blijven er slechts een paar over,” aldus De la Torre Luque.
Zaak heropend
Een recente ontdekking heropent echter de zaak. Het is te danken aan waarnemingen van het AMS-02-experiment. AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) is een wetenschappelijk experiment dat zich aan boord van het internationaal ruimtestation bevindt en kosmische stralen onderzoekt. “De projectleiders hebben bekendgemaakt dat ze sporen van antideeltjes in kosmische stralen hebben gevonden,” legt De la Torre Luque uit. “Het gaat om antihelium, iets dat niemand had voorzien.”
Wat is antimaterie?
Om te begrijpen waarom deze antideeltjes relevant zijn voor WIMPs en donkere materie, is het belangrijk eerst te weten wat antimaterie inhoudt. Antimaterie is een soort materie die een elektrische lading heeft die tegenovergesteld is aan die van gewone materiedeeltjes. Als je ooit natuurkunde hebt gehad op school, weet je dat gewone materie, de stof om ons heen, bestaat uit deeltjes met een negatieve lading (zoals elektronen), een positieve lading (protonen) of een neutrale lading. Antimaterie bestaat uit deeltjes die tegenovergestelde ladingen hebben (een ‘positief’ elektron, de positron, een ‘negatief’ proton, enzovoort). Wanneer materie en antimaterie elkaar tegenkomen, vernietigen ze elkaar en geven ze sterke gammastraling af. In ons universum, dat voornamelijk uit gewone materie bestaat, is er slechts een kleine hoeveelheid antimaterie. Wetenschappers denken dat een deel van deze antimaterie is ontstaan tijdens de oerknal, maar er wordt voortdurend nieuwe antimaterie geproduceerd door specifieke gebeurtenissen. Daarom is het belangrijk om deze antimaterie goed te bestuderen. “Als je antideeltjes ontdekt in het interstellaire medium, waar je er normaal gesproken maar weinig verwacht, betekent dat dat er iets bijzonders aan de hand is,” zegt De la Torre Luque. “Daarom was de ontdekking van antihelium zo opwindend.”
Antihelium
Wat de antihelium die door AMS-02 is ontdekt produceert? Dat zou mogelijk WIMPs kunnen zijn. Volgens de theorie vernietigen twee WIMP-deeltjes elkaar soms wanneer ze elkaar tegenkomen. Dit houdt in dat ze elkaar uitschakelen, energie vrijgeven en zowel gewone materie als antimateriedeeltjes creëren. De la Torre Luque en zijn team hebben verschillende WIMP-modellen onderzocht om te kijken of ze passen bij de waarnemingen. De studie liet zien dat sommige waarnemingen van antihelium lastig te begrijpen zijn met de huidige kennis van astrofysische verschijnselen. “Theoretische modellen gaven aan dat, hoewel kosmische stralen antideeltjes kunnen vormen door te reageren met gas in het interstellair medium, de hoeveelheid antideeltjes, en vooral antiheliumdeeltje, heel laag zou moeten zijn,” zegt De la Torre Luque. “We dachten dat we eens in de paar tientallen jaren antihelium zouden vinden, maar AMS-02 heeft er ongeveer tien ontdekt. Dit is veel meer dan we hadden verwacht op basis van normale kosmische stralingsinteracties. Daarom zijn deze antideeltjes een mogelijke aanwijzing voor de vernietiging van WIMPs.”
Antihelium-4
Maar er is meer. De door AMS-02 ontdekte antihelium bestaan uit twee verschillende isotopen (dezelfde elementen, maar met een ander aantal neutronen in de kern): antihelium-3 en antihelium-4. Antihelium-4 is veel zwaarder en ook veel zeldzamer. We weten dat de productie van zwaardere kernen steeds onwaarschijnlijker wordt naarmate hun massa toeneemt, vooral door natuurlijke processen met kosmische stralen. Daarom is het bijzonder dat onderzoekers er nu zoveel hebben gevonden. “Zelfs de meest optimistische modellen kunnen alleen de hoeveelheid gevonden antihelium-3 uitleggen, maar niet de antihelium-4,” verduidelijkt De la Torre Luque. Kortom, WIMPs zouden wel eens veel vreemder of ‘exotischer’ kunnen zijn dan we tot nu toe dachten.
Daarom suggereert het onderzoek van De la Torre Luque en zijn team dat de weg naar WIMPs nog niet gesloten is. De recente ontdekking van antimaterie in de vorm van antihelium in kosmische stralen biedt nieuwe hoop in de zoektocht naar de mysterieuze aard van donkere materie. De volgende stap is het verzamelen van veel meer nauwkeurige waarnemingen – en het kan nodig zijn om het theoretische model uit te breiden of aan te passen. Dit kan inhouden dat we een nieuwe donkere sector toevoegen aan het standaardmodel van deeltjes die we tot nu toe kennen, met nieuwe ‘exotische’ elementen. Al met al lijkt de WIMP als kandidaat toch langzaamaan weer overtuigender te worden.