Verschillende experimenten hebben tot doel te onthullen waar het van gemaakt is, maar ondanks tientallen jaren zoeken zijn wetenschappers er niet in geslaagd. Nu biedt ons nieuwe experiment, dat in aanbouw is aan de Yale Universiteit in de VS, een nieuwe tactiek.

Donkere materie is al sinds het begin der tijden in het heelal aanwezig en trekt sterren en sterrenstelsels naar elkaar toe. Onzichtbaar en subtiel, het lijkt geen interactie te hebben met licht of enige andere vorm van materie. Het moet eigenlijk iets compleet nieuws zijn.

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is onvolledig, en dit is een probleem. We moeten op zoek naar nieuwe fundamentele deeltjes. Verrassend genoeg geven dezelfde tekortkomingen van het standaardmodel waardevolle aanwijzingen over waar ze zich kunnen verbergen.

Het probleem met het neutron

Laten we bijvoorbeeld het neutron nemen. Het vormt samen met het proton de atoomkern. Ondanks dat ze over het algemeen neutraal is, stelt de theorie dat deze bestaat uit drie geladen deeltjes die quarks worden genoemd. Hierdoor verwachten we dat sommige delen van het neutron positief geladen zijn en andere negatief. Dit zou betekenen dat het neutron een elektrisch dipoolmoment heeft, wat natuurkundigen noemen.

Toch hebben veel pogingen om het te meten tot hetzelfde resultaat geleid:het is te klein om te worden gedetecteerd. Nog een geest. En dan hebben we het niet over instrumentele onvolkomenheden, maar over een parameter die kleiner moet zijn dan één op de 10 miljard. Het is zo klein dat mensen zich afvragen of het helemaal nul kan zijn.

In de natuurkunde is de wiskundige nul echter altijd een sterke uitspraak. Eind jaren zeventig probeerden deeltjesfysici Roberto Peccei en Helen Quinn (en later Frank Wilczek en Steven Weinberg) theorie en bewijsmateriaal te combineren.

Ze suggereerden dat de parameter misschien niet nul is. Het is eerder een dynamische grootheid die na de oerknal langzaam zijn lading verloor en naar nul evolueerde. Theoretische berekeningen laten zien dat, als een dergelijke gebeurtenis zou plaatsvinden, deze een groot aantal lichte, stiekeme deeltjes moet hebben achtergelaten.

Deze werden "axions" genoemd, naar een wasmiddelmerk, omdat ze het neutronenprobleem konden "ophelderen". En nog meer. Als axions in het vroege universum zijn gemaakt, zijn ze sindsdien rondgehangen. Het allerbelangrijkste is dat hun eigenschappen aan alle verwachtingen voldoen voor donkere materie. Om deze redenen zijn axionen een van de favoriete kandidaatdeeltjes voor donkere materie geworden.

Axionen zouden slechts zwak interageren met andere deeltjes. Dit betekent echter dat ze nog steeds een beetje met elkaar zouden communiceren. De onzichtbare axions zouden zelfs kunnen transformeren in gewone deeltjes, inclusief – ironisch genoeg – fotonen, de essentie van licht. Dit kan onder bepaalde omstandigheden gebeuren, zoals in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Dit is een geschenk uit de hemel voor experimentele natuurkundigen.

Experimenteel ontwerp

Veel experimenten proberen de axion-geest op te roepen in de gecontroleerde omgeving van een laboratorium. Sommigen proberen bijvoorbeeld licht om te zetten in axionen, en vervolgens weer in licht aan de andere kant van een muur.

Op dit moment richt de meest gevoelige benadering zich op de halo van donkere materie die de melkweg (en dus de aarde) doordringt met een apparaat dat een haloscoop wordt genoemd. Het is een geleidende holte ondergedompeld in een sterk magnetisch veld; de eerste vangt de donkere materie om ons heen op (ervan uitgaande dat het axions zijn), terwijl de laatste de omzetting in licht teweegbrengt. Het resultaat is een elektromagnetisch signaal dat in de holte verschijnt en oscilleert met een karakteristieke frequentie die afhankelijk is van de axionmassa.

Het systeem werkt als een ontvangende radio. Het moet goed worden afgesteld om de frequentie waarin we geïnteresseerd zijn te onderscheppen. In de praktijk worden de afmetingen van de holte gewijzigd om verschillende karakteristieke frequenties mogelijk te maken. Als de frequenties van het axion en de holte niet overeenkomen, is het net alsof je een radio op het verkeerde kanaal afstemt.

Helaas is de zender die we zoeken niet op voorhand te voorspellen. We hebben geen andere keuze dan alle potentiële frequenties te scannen. Het is alsof je een radiostation kiest in een zee van witte ruis – een speld in een hooiberg – met een oude radio die elke keer dat we aan de frequentieknop draaien groter of kleiner moet zijn.

Toch zijn dat niet de enige uitdagingen. De kosmologie wijst op tientallen gigahertz als de nieuwste, veelbelovende grens voor het zoeken naar axionen. Omdat hogere frequenties kleinere holtes vereisen, zou het verkennen van dat gebied holtes vereisen die te klein zijn om een ​​betekenisvolle hoeveelheid signaal op te vangen.

Nieuwe experimenten proberen alternatieve paden te vinden. Ons Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) experiment maakt gebruik van een nieuw concept van holtes gebaseerd op metamaterialen.

Metamaterialen zijn composietmaterialen met globale eigenschappen die verschillen van hun bestanddelen:ze zijn meer dan de som der delen. Een holte gevuld met geleidende staven krijgt een karakteristieke frequentie alsof deze een miljoen keer kleiner is, terwijl het volume nauwelijks verandert. Dat is precies wat we nodig hebben. Bovendien bieden de hengels een ingebouwd, eenvoudig verstelbaar stemsysteem.

We zijn momenteel bezig met het bouwen van de opstelling, die over een paar jaar klaar zal zijn om gegevens te verzamelen. De technologie is veelbelovend. De ontwikkeling ervan is het resultaat van de samenwerking tussen vastestoffysici, elektrotechnici, deeltjesfysici en zelfs wiskundigen.

Ondanks dat ze zo ongrijpbaar zijn, voeden axions vooruitgang die geen geest ooit zal kunnen wegnemen.

Aangeboden door The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.