Triff/Shutterstock

Een van de meest blijvende mysteries in de astrofysica is de aard van donkere materie. Sinds de jaren dertig hebben waarnemingen aangetoond dat deze onzichtbare massa een krachtige zwaartekrachtsinvloed uitoefent, die ongeveer 75% van alle materie in het universum voor zijn rekening neemt. Zonder dit zouden sterrenstelsels onder hun eigen rotatie uiteenvallen, zou de zwaartekrachtlens verdwijnen en zou de filamentaire structuur van het kosmische web uiteenvallen.

In 2021 publiceerde een groep Europese theoretisch natuurkundigen een artikel in The European Physical Journal getiteld “Een verwrongen scalair portaal naar fermionische donkere materie.” Voortbouwend op de hypothese uit 1999 dat deeltjes een hoger-dimensionale ruimte zouden kunnen doorkruisen, stellen de auteurs voor dat fermionische donkere materie zou kunnen worden geproduceerd via een kromgetrokken vijfdimensionaal portaal, waardoor een natuurlijke verklaring wordt geboden voor de waargenomen zwaartekrachteffecten.

Het testen van deze theorie vormt een enorme uitdaging. Omdat de gepostuleerde deeltjes kortstondig tussen onze vertrouwde vierdimensionale ruimtetijd en een extra dimensie zouden glijden, zijn ze in wezen onzichtbaar voor conventionele detectoren. Vooruitgang in de zwaartekrachtgolfastronomie zou echter een nieuwe mogelijkheid voor detectie kunnen bieden:rimpelingen in de ruimtetijd zouden handtekeningen van deze cross-dimensionale fermionen kunnen dragen, waardoor we hun bestaan indirect kunnen afleiden.

Een vijfde dimensie kan de grootste mysteries van de natuurkunde oplossen

Gorodenkoff/Getty Images

Fermionen – protonen, neutronen, elektronen en hun antideeltjes – zijn de belangrijkste kandidaten voor donkere materie omdat ze massa en dus zwaartekracht met zich meedragen. De bevestiging van het Higgs-boson op CERN in 2012 toonde aan dat massa voortkomt uit fermionen die interageren met het Higgs-veld, wat de centrale rol van deze deeltjes in de moderne natuurkunde versterkt. Toch heeft de Higgs-ontdekking ook hiaten in het Standaardmodel blootgelegd, vooral wat betreft het gedrag van het Higgs-veld, dat de vier bekende fundamentele krachten lijkt te trotseren.

Veel theoretici beweren dat een vijfde dimensie deze inconsistenties zou kunnen verzoenen. Door de zwakke kracht zich door hogere dimensies te laten voortplanten, kunnen de afwijkende eigenschappen van het Higgsveld op natuurlijke wijze worden verklaard. Bovendien zou een vierde ruimtelijke dimensie kunnen verduidelijken waarom de zwaartekracht relatief zwak is, hoe deze in bepaalde contexten sneller lijkt te werken dan het licht, en waarom spiraalstelsels hun structuur behouden zonder zich te verspreiden.

Hoewel hogere dimensies nog steeds niet zijn geverifieerd, biedt het vooruitzicht van een vierde ruimtelijke as een overtuigend raamwerk dat zwaartekracht, deeltjesfysica en kosmologie zou kunnen verenigen. Toekomstige generaties zwaartekrachtgolfdetectoren en deeltjesexperimenten kunnen eindelijk licht werpen op deze ongrijpbare dimensies.

Hoe één wetenschappelijk team vol vertrouwen een vijfde dimensie voorstelde

Eilvee/Getty Images

Het artikel uit 2021 ‘A warped scalar portal to fermionic dark matter’ vertegenwoordigt een rigoureuze poging om het bestaan van een vijfde dimensie en de interactie ervan met fermionische materie te modelleren. De auteurs introduceren een nieuw scalair veld dat in principe fermionen kan opvangen en overbrengen naar voorbijgaande vijfdimensionale locaties. Dergelijke korte excursies kunnen plaatselijke zwaartekrachteffecten genereren die de invloed van donkere materie op galactische kernen nabootsen.

Omdat deze deeltjes door de ruimtetijd zouden bewegen zonder de conventionele snelheid van het licht te respecteren, zouden hun verschijning en verdwijning bijna onzichtbaar zijn – in feite spookachtig. Voor het detecteren van dergelijke gebeurtenissen zijn detectoren nodig met een ongekende gevoeligheid, die de huidige mogelijkheden ver te boven gaan. Niettemin biedt het raamwerk een duidelijke, toetsbare voorspelling:als er cross-dimensionale fermionen bestaan, zouden zwaartekrachtgolfobservatoria abnormale ruimtetijdrimpelingen kunnen registreren die overeenkomen met hun vluchtige passages.

Hoewel experimentele bevestiging voorlopig buiten bereik blijft, is de theorie een voorbeeld van het snijvlak van geavanceerde wiskunde, deeltjesfysica en kosmologie. Naarmate de technologie vordert, kan het vooruitzicht om een vijfde dimensie te observeren – en daarmee de geheimen van donkere materie te ontsluiten – veranderen van speculatief naar empirisch.