Donkere materie wordt steeds raadselachtiger. Rond de wereld, natuurkundigen proberen al tientallen jaren de aard van deze materiedeeltjes te bepalen, die geen licht uitstralen en daarom onzichtbaar zijn voor het menselijk oog. Hun bestaan ​​werd in de jaren dertig gepostuleerd om bepaalde astronomische waarnemingen te verklaren. Als zichtbare materie, zoals degene die de sterren en de aarde vormt, vormt slechts 5 procent van het heelal, er is voorgesteld dat donkere materie 23 procent moet vertegenwoordigen van wat er is. Maar tot op heden en ondanks intensief onderzoek, het is onmogelijk gebleken om de betrokken deeltjes daadwerkelijk te identificeren. Onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) hebben nu een nieuwe theorie van donkere materie gepresenteerd, wat inhoudt dat donkere materiedeeltjes heel anders kunnen zijn dan normaal wordt aangenomen. Vooral, hun theorie omvat donkere materiedeeltjes die extreem licht zijn - bijna honderd keer lichter dan elektronen, in schril contrast met veel conventionele modellen die in plaats daarvan zeer zware donkere materiedeeltjes gebruiken.

Volgens de gangbare theorie, donkere materie moet bestaan, omdat sterren anders niet rond het centrum van hun sterrenstelsels zouden blijven draaien zoals ze in feite doen. Tot de bijzonder favoriete kandidaten voor donkere materie behoren zogenaamde zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's. Onderzoekers zoeken ernaar in het Italiaanse ondergrondse laboratorium Gran Sasso, bijvoorbeeld. Maar recente wetenschappelijke publicaties op het gebied van astrodeeltjesfysica nemen in toenemende mate het standpunt in dat WIMP's waarschijnlijk geen levensvatbare vooruitzichten zijn als het gaat om donkere materie. "We, te, zijn momenteel actief op zoek naar mogelijke alternatieven, " zei professor Joachim Kopp van de Universiteit van Mainz.

de fysicus, samen met zijn collega's Vedran Brdar, Jia Liu, en Xiao-Ping willen, nam de resultaten van waarnemingen van verschillende onafhankelijke groepen in 2014 onder de loep. De groepen meldden de aanwezigheid van een voorheen niet-gedetecteerde spectraallijn, met een energie van 3,5 kiloelektronvolt (keV), in röntgenlicht van verre sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Deze ongebruikelijke röntgenstraling zou een aanwijzing kunnen zijn voor de aard van donkere materie. Er is eerder op gewezen dat donkere materiedeeltjes kunnen vervallen, waardoor röntgenstraling wordt uitgezonden. Echter, Het team van Joachim Kopp bij het in Mainz gevestigde Cluster of Excellence on Precision Physics, Fundamental Interactions and Structure of Matter (PRISMA) kiest voor een andere benadering.

Röntgenstraling geproduceerd door de vernietiging van donkere materie

De PRISMA-onderzoekers stellen een scenario voor waarin twee donkere materiedeeltjes botsen, resulterend in hun wederzijdse vernietiging. Dit is analoog aan wat er gebeurt, bijvoorbeeld, wanneer een elektron zijn antideeltje ontmoet, een positron. "Er is lang aangenomen dat het niet mogelijk zou zijn om een ​​dergelijke vernietiging van donkere materie waar te nemen als het zou zijn gemaakt van deeltjes die licht, ", legt Kopp uit. "We hebben ons nieuwe model onder de loep genomen en vergeleken met experimentele gegevens, en het past allemaal veel beter bij elkaar dan bij oudere modellen."

Volgens het model van Kopp donkere materiedeeltjes zouden fermionen zijn met een massa van slechts een paar kiloelektronvolt, vaak steriele neutrino's genoemd. Dergelijke lichte donkere materie wordt meestal als problematisch beschouwd omdat het moeilijk is uit te leggen hoe sterrenstelsels zijn gevormd. "Tot dusver, we zijn in staat geweest om met deze zorgen om te gaan, ", legt Kopp uit. "Ons model biedt een elegante uitweg." De veronderstelling dat de vernietiging van donkere materie een proces in twee stappen is, is in deze context van cruciaal belang:tijdens de beginfase van het proces, een tussentoestand wordt gevormd, die later uiteenvalt in de waargenomen röntgenfotonen. "De resultaten van onze berekeningen laten zien dat de resulterende röntgensignatuur nauw correleert met de waarnemingen en biedt dus een nieuwe verklaring hiervoor, ’ voegde Kop toe.

Tegelijkertijd, het nieuwe model zelf is zo algemeen dat het een interessant startpunt zal bieden voor de zoektocht naar donkere materie, ook al blijkt dat de in 2014 ontdekte spectraallijn een andere oorsprong heeft. Theoretische en experimentele natuurkundigen van JGU werken momenteel aan de voorgestelde ESA-missie e-ASTOGRAM, die gericht is op het analyseren van astrofysische röntgenstraling met voorheen onbereikte nauwkeurigheid.