Op zoek naar de mysterieuze donkere materie, natuurkundigen hebben uitgebreide computerberekeningen gebruikt om een ​​overzicht te krijgen van de deeltjes van deze onbekende vorm van materie. Om dit te doen, de wetenschappers breidden het succesvolle standaardmodel van deeltjesfysica uit waardoor ze, onder andere, om de massa van zogenaamde axions te voorspellen, veelbelovende kandidaten voor donkere materie. Het Duits-Hongaarse team van onderzoekers onder leiding van professor Zoltán Fodor van de Universiteit van Wuppertal, Eötvös University in Boedapest en Forschungszentrum Jülich hebben hun berekeningen uitgevoerd op Jülich's supercomputer JUQUEEN (BlueGene/Q) en presenteren de resultaten in het tijdschrift Natuur .

"Donkere materie is een onzichtbare vorm van materie die zich tot nu toe alleen heeft geopenbaard door zijn zwaartekrachtseffecten. Waar het uit bestaat, blijft een compleet mysterie, " legt co-auteur dr. Andreas Ringwald uit, wie is gevestigd bij DESY en wie heeft het huidige onderzoek voorgesteld. Bewijs voor het bestaan ​​van deze vorm van materie komt, onder andere, van de astrofysische waarneming van sterrenstelsels, die veel te snel roteren om alleen door de aantrekkingskracht van de zichtbare materie bij elkaar te worden gehouden. Uit uiterst nauwkeurige metingen met de Europese satelliet "Planck" blijkt dat bijna 85 procent van de totale massa van het heelal uit donkere materie bestaat. Alle sterren, planeten, nevels en andere objecten in de ruimte die zijn gemaakt van conventionele materie vertegenwoordigen niet meer dan 15 procent van de massa van het universum.

"Het adjectief 'donker' betekent niet alleen dat het geen zichtbaar licht uitstraalt, "zegt Ringwald. "Het lijkt ook geen andere golflengten af ​​te geven - de interactie met fotonen moet inderdaad erg zwak zijn." natuurkundigen hebben gezocht naar deeltjes van dit nieuwe type materie. Wat wel duidelijk is, is dat deze deeltjes buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica moeten liggen, en hoewel dat model buitengewoon succesvol is, het beschrijft momenteel alleen de conventionele 15 procent van alle materie in de kosmos. Van theoretisch mogelijke uitbreidingen tot het standaardmodel verwachten natuurkundigen niet alleen een dieper begrip van het universum, maar ook concrete aanwijzingen in welk energiebereik het vooral de moeite waard is om op zoek te gaan naar kandidaten voor donkere materie.

De onbekende vorm van materie kan ofwel uit relatief weinig, maar zeer zware deeltjes, of van een groot aantal lichte. De directe zoektocht naar kandidaten voor zware donkere materie met behulp van grote detectoren in ondergrondse laboratoria en de indirecte zoektocht naar hen met behulp van grote deeltjesversnellers gaat nog steeds door, maar hebben tot nu toe geen donkere materiedeeltjes gevonden. Een reeks fysieke overwegingen maken extreem lichte deeltjes, nagesynchroniseerde axions, zeer veelbelovende kandidaten. Met behulp van slimme experimentele opstellingen, het zou zelfs mogelijk kunnen zijn om direct bewijs ervan op te sporen. "Echter, om dit soort bewijs te vinden, zou het zeer nuttig zijn om te weten naar wat voor soort massa we op zoek zijn, " benadrukt theoretisch fysicus Ringwald. "Anders zou de zoektocht tientallen jaren kunnen duren, omdat je dan een veel te groot bereik zou moeten scannen."

Het bestaan ​​van axionen wordt voorspeld door een uitbreiding op de kwantumchromodynamica (QCD), de kwantumtheorie die de sterke interactie regelt, verantwoordelijk voor de nucleaire kracht. De sterke wisselwerking is een van de vier fundamentele natuurkrachten naast de zwaartekracht, elektromagnetisme en de zwakke kernkracht, die verantwoordelijk is voor radioactiviteit. "Theoretische overwegingen geven aan dat er zogenaamde topologische kwantumfluctuaties zijn in de kwantumchromodynamica, wat zou moeten resulteren in een waarneembare schending van de tijdomkeringssymmetrie, ", legt Ringwald uit. Dit betekent dat bepaalde processen moeten verschillen, afhankelijk van of ze voor- of achteruit gaan. geen enkel experiment is er tot nu toe in geslaagd om dit effect aan te tonen.

De uitbreiding tot kwantumchromodynamica (QCD) herstelt de onveranderlijkheid van tijdomkeringen, maar tegelijkertijd voorspelt het het bestaan ​​van een zeer zwak interactief deeltje, het axion, wiens eigenschappen, in het bijzonder zijn massa, afhankelijk van de sterkte van de topologische kwantumfluctuaties. Echter, er zijn moderne supercomputers zoals JUQUEEN van Jülich nodig om de laatste te berekenen in het temperatuurbereik dat relevant is voor het voorspellen van de relatieve bijdrage van axionen aan de materie waaruit het universum bestaat. "Daar bovenop we moesten nieuwe analysemethoden ontwikkelen om het vereiste temperatuurbereik te bereiken, " merkt Fodor op die het onderzoek leidde.

De resultaten laten zien, onder andere, dat als axionen het grootste deel van donkere materie uitmaken, ze moeten een massa hebben van 50 tot 1500 micro-elektronvolt, uitgedrukt in de gebruikelijke eenheden van de deeltjesfysica, en dus tot tien miljard keer lichter zijn dan elektronen. Hiervoor zou elke kubieke centimeter van het heelal gemiddeld tien miljoen van dergelijke ultralichte deeltjes moeten bevatten. Donkere materie is niet gelijkmatig over het heelal verspreid, echter, maar vormt bosjes en vertakkingen van een webachtig netwerk. Daarom, ons lokale deel van de Melkweg zou ongeveer een biljoen axionen per kubieke centimeter moeten bevatten.

Dankzij de supercomputer Jülich, de berekeningen geven natuurkundigen nu een concreet bereik waarbinnen hun zoektocht naar axionen waarschijnlijk het meest kansrijk is. "De resultaten die we presenteren zullen waarschijnlijk leiden tot een race om deze deeltjes te ontdekken, ", zegt Fodor. Hun ontdekking zou niet alleen het probleem van donkere materie in het universum oplossen, maar beantwoord tegelijkertijd de vraag waarom de sterke interactie zo verrassend symmetrisch is ten opzichte van tijdomkering. De wetenschappers verwachten dat het de komende jaren mogelijk zal zijn om het bestaan ​​van axionen experimenteel te bevestigen of uit te sluiten.

Het Instituut voor Nucleair Onderzoek van de Hongaarse Academie van Wetenschappen in Debrecen, de Lendület Lattice Gauge Theory Research Group aan de Eötvös University, de Universiteit van Zaragoza in Spanje, en het Max Planck Instituut voor Natuurkunde in München waren ook betrokken bij het onderzoek.