(Phys.org)—Momenteel, een van de sterkste kandidaten voor donkere materie is de zwakke wisselwerking van massieve deeltjes, of WIMPS, hoewel dit hypothetische deeltje tot nu toe nog niet direct is gedetecteerd. Nu in een nieuwe studie, natuurkundigen hebben voorgesteld dat donkere materie geen WIMP is, en verder, het is geen deeltje waarvan tot nu toe bekend is of waarvan de theorie bestaat dat het bestaat.

In plaats daarvan, de natuurkundigen beweren dat donkere materie is gemaakt van deeltjes uit een van de vele "verborgen sectoren" waarvan wordt gedacht dat ze bestaan ​​buiten de "zichtbare sector" die onze hele zichtbare wereld omvat. Het team van onderzoekers, Bobby Acharya, Sebastiaan Ellis, Gordon Kane, Brent Nelson, en Malcolm Perry, van instellingen in het VK, Italië, en de VS, heeft hun studie gepubliceerd in een recent nummer van Fysieke beoordelingsbrieven.

Verborgen sectoren worden zo genoemd omdat deeltjes in deze sectoren de sterke en elektrozwakke krachten niet voelen zoals die in de zichtbare sector, wat hun interactie met de zichtbare sector sterk vermindert. Dus verborgen sectordeeltjes kunnen overal om ons heen zijn - we hebben momenteel gewoon geen manier om ze te detecteren.

In het voorgestelde scenario donkere materie bestaat uit deeltjes in de verborgen sector die via een portaal communiceren van de verborgen sector naar de zichtbare sector, en oefenen op deze manier de zwaartekrachtseffecten uit die wetenschappers al lang hebben waargenomen.

Hoewel een dergelijk idee misschien vergezocht klinkt, verborgen sectoren en portalen zijn lange tijd componenten geweest van de snaartheorie en de M-theorie - twee theorieën die de deeltjesfysica op het meest fundamentele niveau proberen te verklaren.

De belangrijkste steun voor de nieuwe claim komt neer op een kwestie van stabiliteit. In het algemeen, zwaardere deeltjes vervallen tot lichtere deeltjes. Dus lichtere deeltjes, stabieler zijn, zijn veel waarschijnlijker kandidaten voor donkere materie. Dit is waar de langdurige steun voor WIMP's vandaan komt, aangezien WIMP's het lichtste supersymmetrische deeltje zijn, en daarom, tot nu, als stabiel beschouwd.

Echter, aangezien men denkt dat er ongeveer 100 verborgen sectoren bestaan, maar slechts één zichtbare sector, de wetenschappers beweren in de nieuwe studie dat een verborgen sector waarschijnlijk een deeltje bevat dat zelfs lichter is dan WIMP's.

De wetenschappers laten zien dat WIMP's theoretisch zouden kunnen vervallen tot een of meer lichtere verborgen sectordeeltjes, die op hun beurt zouden kunnen vervallen tot nog lichtere verborgen sectordeeltjes. Dus het lichtste supersymmetrische deeltje in de zichtbare sector zou niet stabiel genoeg zijn om donkere materie te zijn. In plaats daarvan, volgens deze redenering een momenteel onbekend verborgen sectordeeltje zou een veel waarschijnlijker kandidaat voor donkere materie zijn.

"De grootste betekenis van ons werk is dat het theoretici dwingt om het paradigma van wat WIMP donkere materie wordt genoemd, te heroverwegen, "Ellis, een natuurkundige aan de Universiteit van Michigan, vertelde Phys.org . "WIMP's zijn al meer dan 30 jaar de meest populaire kandidaten voor wat donkere materie vormt. Een WIMP is een deeltje dat een beetje lijkt op het Higgs- of Z-boson dat elektrisch neutraal is, zware deeltjes die deelnemen aan de zwakke nucleaire interacties, maar in tegenstelling tot het Higgs- of Z-boson, WIMP donkere materie zou stabiel zijn op kosmologische schalen. WIMP donkere materie is het meest besproken in de context van supersymmetrie (SUSY).

"Al 30 jaar theoretici hebben gedacht dat in SUSY-modellen, het lichtste SUSY-deeltje was vanwege zijn stabiliteit een goede kandidaat voor donkere materie. Echter, in ons artikel stellen we dat als je het standaardmodel van de deeltjesfysica neemt als wonend in een groter, string/M-theorie raamwerk, dan zijn supersymmetrische WIMP's waarschijnlijk geen goede kandidaat voor donkere materie, omdat we laten zien dat ze doorgaans onstabiel zijn.

"Het snaarlandschap omvat een groot aantal mogelijke lage-energietheorieën. we ontdekten dat bijna het hele landschap dit kenmerk van WIMP-instabiliteit zou vertonen. Een dergelijke conclusie betekent dat als we serieus willen nadenken over het inbedden van ons zichtbare universum in een snaartheorie, we moeten serieus nadenken over de natuurlijke mogelijkheid dat donkere materie zich in een verborgen sector bevindt, of we worden gedwongen in een zeer atypische hoek van het snaarlandschap."

Als donkere materie een verborgen sectordeeltje blijkt te zijn, het zou verklaren waarom WIMP's zo moeilijk te detecteren zijn in deeltjesversnellers. Om een ​​WIMP te detecteren, wetenschappers zullen hun zoektocht moeten aanpassen en op verschillende plaatsen moeten kijken.

"Als donkere materie uit een verborgen sector komt, het vormt een ernstige kwestie van hoe het te detecteren, anders dan door zijn zwaartekrachtinteracties, Ellis zei. "String/M-theorie kan zogenaamde 'portals' bieden die deze verborgen sectoren verbinden met onze zichtbare sector, dus mogelijk leidend tot een manier om naar verborgen donkere materie in de sector te zoeken. Ook, als experimenteel 'bewezen' is dat donkere materie zich in een verborgen sector bevindt, het zou heel natuurlijk passen bij typische modellen van het universum die ontstaan ​​in de snaar- en M-theorie."

In de toekomst, de wetenschappers zijn van plan om de exacte signatuur van een WIMP die vervalt in een verborgen sectordeeltje verder te onderzoeken, die toekomstige experimenten zouden leiden.

"We zijn momenteel bezig met het afronden van een vervolgdocument waarin we typische snaar/M-theorie verborgen sectorconstructies beschouwen die goede kandidaten voor donkere materie zouden kunnen opleveren, "Zei Ellis. "Het belangrijkste is, we zien dat er zulke kandidaten zijn. Het typische kenmerk van dergelijke constructies is dat wanneer SUSY-deeltjes in een botser worden geproduceerd, de WIMP zal snel vervallen in de verborgen sector en andere zichtbare deeltjes. Je zou dus de typische collider-signatuur voor SUSY verwachten, namelijk het missen van energie, maar vergezeld van meer deeltjes dan in een typisch SUSY-evenement."