De intensieve, wereldwijde zoektocht naar donkere materie, de ontbrekende massa in het heelal, heeft tot nu toe geen overvloed aan donkere, massieve sterren of hordes vreemde nieuwe zwak interagerende deeltjes, maar een nieuwe kandidaat krijgt langzaamaan volgers en observatieondersteuning.

Ze werden SIMP's genoemd - sterk interagerende massieve deeltjes - ze werden drie jaar geleden voorgesteld door de Universiteit van Californië, Berkeley theoretisch fysicus Hitoshi Murayama, een professor in de natuurkunde en directeur van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) in Japan, en voormalig UC Berkeley postdoc Yonit Hochberg, nu aan de Hebreeuwse Universiteit in Israël.

Murayama zegt dat recente waarnemingen van een nabijgelegen galactische ophoping bewijs kunnen zijn voor het bestaan ​​van SIMP's, en hij verwacht dat toekomstige experimenten met deeltjesfysica er een zullen ontdekken.

Murayama besprak zijn nieuwste theoretische ideeën over SIMP's en hoe de botsende sterrenstelsels de theorie ondersteunen in een uitgenodigde lezing op 4 december tijdens het 29e Texas Symposium on Relativistic Astrophysics in Kaapstad, Zuid-Afrika.

Astronomen hebben berekend dat donkere materie, terwijl onzichtbaar, vormt ongeveer 85 procent van de massa van het heelal. Het meest solide bewijs voor zijn bestaan ​​is de beweging van sterren in sterrenstelsels:zonder een onzichtbare klodder donkere materie, sterrenstelsels zouden uit elkaar vliegen. In sommige sterrenstelsels, de zichtbare sterren zijn zo zeldzaam dat donkere materie 99,9 procent van de massa van de melkweg uitmaakt.

Theoretici dachten eerst dat deze onzichtbare materie gewoon normale materie was die te zwak was om te zien:mislukte sterren die bruine dwergen worden genoemd, uitgebrande sterren of zwarte gaten. Toch zijn zogenaamde massieve compacte halo-objecten - MACHO's - aan ontdekking ontsnapt, en eerder dit jaar sloot een onderzoek van de Andromeda-melkweg door de Subaru-telescoop in principe elke significante onontdekte populatie zwarte gaten uit. De onderzoekers zochten naar zwarte gaten die overbleven uit het zeer vroege heelal, zogenaamde oerzwarte gaten, door te zoeken naar plotselinge ophelderingen die worden geproduceerd wanneer ze voor achtergrondsterren passeren en als een zwakke lens werken. Ze vonden er precies één - te weinig om significant bij te dragen aan de massa van de melkweg.

"Die studie elimineerde vrijwel de mogelijkheid van MACHO's; ik zou zeggen dat het zo goed als verdwenen is, ' zei Murayama.

WIMP's - zwak interagerende massieve deeltjes - hebben het niet beter gedaan, ondanks dat het al tientallen jaren in het middelpunt van de aandacht van onderzoekers staat. Ze moeten relatief groot zijn - ongeveer 100 keer zwaarder dan het proton - en zo zelden met elkaar interageren dat ze "zwak" worden genoemd. Men dacht dat ze vaker interageren met normale materie door zwaartekracht, helpen om normale materie aan te trekken tot klonten die uitgroeien tot sterrenstelsels en uiteindelijk sterren voortbrengen.

SIMP's communiceren met zichzelf, maar anderen niet

SIMP's, zoals WIMP's en MACHO's, zou theoretisch in grote hoeveelheden zijn geproduceerd in het begin van de geschiedenis van het heelal en sindsdien zijn afgekoeld tot de gemiddelde kosmische temperatuur. Maar in tegenstelling tot WIMP's, Er wordt getheoretiseerd dat SIMP's sterk met zichzelf interageren via de zwaartekracht, maar zeer zwak met normale materie. Een door Murayama voorgestelde mogelijkheid is dat een SIMP een nieuwe combinatie is van quarks, die de fundamentele componenten zijn van deeltjes zoals het proton en het neutron, baryonen genoemd. Terwijl protonen en neutronen zijn samengesteld uit drie quarks, een SIMP zou meer op een pion lijken omdat hij er maar twee bevat:een quark en een antiquark.

De SIMP zou kleiner zijn dan een WIMP, met een grootte of doorsnede zoals die van een atoomkern, wat impliceert dat er meer van zijn dan er WIMP's zouden zijn. Grotere aantallen zouden betekenen dat ondanks hun zwakke interactie met normale materie - voornamelijk door er vanaf te verstrooien, in tegenstelling tot het versmelten met of vervallen tot normale materie - zouden ze nog steeds een vingerafdruk achterlaten op normale materie, zei Murayama.

Hij ziet zo'n vingerafdruk in vier botsende sterrenstelsels in het Abell 3827-cluster, waar, verrassend genoeg, de donkere materie lijkt achter te blijven bij de zichtbare materie. Dit zou verklaard kunnen worden, hij zei, door interacties tussen de donkere materie in elk sterrenstelsel die de samensmelting van donkere materie vertraagt, maar niet die van normale materie, eigenlijk sterren.

"Een manier om te begrijpen waarom de donkere materie achterblijft bij de lichtgevende materie, is dat de donkere materiedeeltjes eigenlijk een eindige grootte hebben, ze verspreiden zich tegen elkaar, dus als ze naar de rest van het systeem willen gaan, worden ze teruggeduwd, ' zei Murayama. 'Dit zou de waarneming verklaren. Dat is het soort dingen dat voorspeld wordt door mijn theorie dat donkere materie een gebonden toestand is van een nieuw soort quarks."

SIMP's overwinnen ook een groot falen van de WIMP-theorie:het vermogen om de verdeling van donkere materie in kleine sterrenstelsels te verklaren.

"Er is een langlopende puzzel geweest:als je naar dwergstelsels kijkt, die erg klein zijn met vrij weinig sterren, ze worden echt gedomineerd door donkere materie. En als je numerieke simulaties doorloopt van hoe donkere materie samenklontert, ze voorspellen altijd dat er een enorme concentratie is richting het centrum. een knobbel, "Zei Murayama. "Maar observaties lijken erop te wijzen dat concentratie platter is:een kern in plaats van een cusp. Het kern/cusp-probleem wordt beschouwd als een van de belangrijkste problemen met donkere materie die alleen door zwaartekracht interageert. Maar als donkere materie een eindige grootte heeft, zoals een SIMP, de deeltjes kunnen gaan 'klinken' en zich verspreiden, en dat zou het massaprofiel naar het midden toe afvlakken. Dat is weer een stukje 'bewijs' voor dit soort theoretisch idee."

Lopende zoekopdrachten naar WIMP's en axions

Er worden grondexperimenten gepland om naar SIMP's te zoeken, meestal bij versnellers zoals de Large Hadron Collider bij CERN in Genève, waar natuurkundigen altijd op zoek zijn naar onbekende deeltjes die passen bij nieuwe voorspellingen. Een ander experiment bij de geplande International Linear Collider in Japan zou ook kunnen worden gebruikt om naar SIMP's te zoeken.

Terwijl Murayama en zijn collega's de theorie van SIMP's verfijnen en zoeken naar manieren om ze te vinden, de zoektocht naar WIMP's gaat door. Het Large Underground Xenon (LUX) donkere materie-experiment in een ondergrondse mijn in South Dakota heeft strikte limieten gesteld aan hoe een WIMP eruit kan zien, en een geüpgraded experiment genaamd LZ zal die limieten verder verleggen. Daniël Mc Kinsey, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde, is een van de co-woordvoerders van dit experiment, nauw samenwerken met het Lawrence Berkeley National Laboratory, waar Murayama een senior wetenschapper van de faculteit is.

Natuurkundigen zijn ook op zoek naar andere kandidaten voor donkere materie die geen WIMP's zijn. De faculteit van UC Berkeley is betrokken bij twee experimenten op zoek naar een hypothetisch deeltje genaamd axion, die mogelijk voldoen aan de vereisten voor donkere materie. Het Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), onder leiding van Dmitry Budker, een emeritus hoogleraar natuurkunde die nu aan de universiteit van Mainz in Duitsland werkt, en theoreticus Surjeet Rajendran, een UC Berkeley hoogleraar natuurkunde, is van plan om te zoeken naar verstoringen in kernspin veroorzaakt door een axionveld. Karel van Bibber, een professor in nucleaire techniek, speelt een sleutelrol in het Axion Dark Matter eXperiment - High Frequency (ADMX-HF), die probeert axions te detecteren in een microgolfholte binnen een sterk magnetisch veld terwijl ze worden omgezet in fotonen.

"Natuurlijk moeten we het zoeken naar WIMP's niet opgeven, "Murayama zei, "maar de experimentele limieten worden echt, heel belangrijk. Zodra u op het meetniveau komt, waar we in de nabije toekomst zullen zijn, zelfs neutrino's vormen uiteindelijk de achtergrond van het experiment, wat onvoorstelbaar is."

Neutrino's interageren zo zelden met normale materie dat naar schatting 100 biljoen per seconde door ons lichaam vliegen zonder dat we het merken, iets waardoor ze extreem moeilijk te detecteren zijn.

"De gemeenschapsconsensus is een soort van, we weten niet hoe ver we moeten gaan, maar we moeten in ieder geval naar dit niveau gaan, " voegde hij eraan toe. "Maar omdat er absoluut geen tekenen zijn van het verschijnen van WIMP's, mensen beginnen tegenwoordig breder te denken. Laten we stoppen en er nog eens over nadenken."