Wat als het universum dat we kennen slechts een klein deel is van een groter, meestal onzichtbaar universum, en de enige manier waarop we kunnen interageren is via zwaartekracht?

Dit is slechts een van de ideeën die natuurkundigen nastreven in de zoektocht om het mysterie van donkere materie op te lossen.

Ik hou van het idee van donkere materie. Voor mij, het is het ultieme raadsel. Ik bedoel, ons universum bevat protonen en neutronen en elektronen, en dat is geweldig. Al deze 'normale' materie is het basisingrediënt voor alles, van Brad Pitt tot intergalactische gaswolken. Normale materie oefent ook een zwaartekracht uit, en dit is ook geweldig. De zwaartekracht zorgt ervoor dat mijn koffie niet wegdrijft en voorkomt dat sterrenstelsels uit elkaar draaien.

Ernstig tekort

Maar als je alle deeltjes in alle sterrenstelsels in het heelal bij elkaar optelt, er is gewoon niet genoeg om alle zwaartekracht in het universum te produceren. Er is veel te veel zwaartekracht en veel te weinig materie.

Om ons universum zinvol te maken, het heeft een hele lading extra's nodig om het zwaartekrachttekort te compenseren.

Dat extraatje blijkt tot 80% van de materie in ons heelal te zijn. We noemen het 'donkere' materie:deeltjes die we niet kunnen zien en niet begrijpen, maar die genoeg zwaartekracht brengen om de boeken in evenwicht te brengen.

De jacht op ontbrekende materie

We zijn al jaren op zoek naar direct bewijs van donkere materie, maar hebben niets gevonden. Geen zorgen:we wisten dat het lastig zou worden. Onderzoekers geloven dat donkere materie normale materie en licht vrijwel negeert.

"Donkere materiedeeltjes kunnen overal om ons heen zijn, maar ze hebben gewoon geen elektromagnetische wisselwerking, " zegt Vid Iršič, een onderzoeker van de Universiteit van Washington en expert op het gebied van donkere materie. "Ze konden alleen door zwaartekracht op elkaar inwerken."

Kijk uit! Neutrino's passeren

Hoewel het vreemd klinkt, er is al een precedent voor deeltjes die niet goed spelen met anderen. Ze worden neutrino's genoemd.

"Neutrino's zijn zeer, zeer lichte deeltjes die zeer zwak interageren, " zegt Vid. "Ze komen van de sterren. Neutrino's van onze zon passeren de aarde met hun miljarden per seconde, over elke vierkante centimeter."

Deze deeltjes gaan nu door je heen, maar hun interacties zijn zo mild dat je er niets van voelt. Toch zijn neutrino's als grote fanfares vergeleken met donkere materie.

Dus wat zijn donkere materiedeeltjes?

Er zijn tal van theorieën en experimenten die op zoek zijn naar veel verschillende deeltjes in de race om het mysterie van de donkere materie op te lossen. Hieronder schetsen we Vid's persoonlijke top vijf donkere materie kandidaten, van meest waarschijnlijk tot minst waarschijnlijk. Denken petje op.

Kandidaat #1:Zwak interagerende massieve deeltjes (of WIMP's)

Zwak op elkaar inwerkend massief deeltje is een verzamelnaam voor een stel deeltjes die aan die beschrijving voldoen. 'Weakly interacting' betekent dat ze niet veel interactie hebben met normale materie of licht. 'Massief' betekent dat ze groter zijn dan de massa van een proton.

WIMP's zijn populair omdat ze onafhankelijk zijn voorspeld door een paar verschillende theorieën over deeltjesfysica. En vanwege het WIMP-wonder. Het wonder is dat deze theorieën ook de totale massa van WIMP's voorspellen, en het is ongeveer dezelfde massa als die nodig is om alle extra zwaartekracht te verklaren. Toeval? Misschien niet.

Kandidaat #2:Axions

Axions zijn een theoretisch deeltje dat we hebben bedacht om een ​​onopgelost probleem in de kwantumdynamica op te lossen. specifiek, hun bestaan ​​zou helpen bij het verklaren van eigenaardigheden in ons begrip van quarks en hoe ze aan elkaar kleven om protonen en neutronen te vormen. Maar dat is een heel ander verhaal…

Als axions bestaan, ze zouden ook enkele vakjes voor donkere materie aanvinken. Er wordt voorspeld dat ze slechts zwak interageren met gewone materie en licht. En ze zouden precies de juiste maat hebben om ze (tot nu toe) te hebben gemist. (Die maat, voor het geval je je afvraagt, is ergens tussen de 2 en 100 micro-elektron-volt (en een micro-elektron-volt is 1,78×10 ^-42 kilogram).

Axions zijn ook super geweldig. Eén axion vervalt in twee fotonen. Bovendien kun je een axion maken door twee fotonen te combineren. We hopen dat dit ons zal helpen om ze binnenkort op te sporen. In april, De universiteit van Vid heeft aangekondigd dat het nu gevoeliger dan ooit kan zoeken naar tekenen van axion-verval.

Kandidaat #3:Ultralichte scalaire donkere materie

Deze kandidaat is een relatief nieuwe jongen in de buurt. Het is ook bekend als ultralichte axions, vage donkere materie of golvende donkere materie.

Als het bestaat, het is super-duper licht, zoiets als 10 ^-22 elektron-volt. En omdat het zo licht is, het gedraagt ​​zich op een manier die past bij de snaartheorie en de kwantummechanica. Het idee is dat, als je een hele melkweglading van deze deeltjes bij elkaar krijgt, ze gedragen zich meer als een golf dan als een draaiende bal.

Je krijgt dan minuscule deeltjes die samen een golf vormen die duizenden lichtjaren omspant. Geen wonder dat ze lastig te vinden zijn.

Kandidaat #4:Steriele neutrino's

Donkere materie kan ook een speciale vorm van neutrino zijn, wat lastig is, omdat neutrino's al bijzonder zijn. Ze zijn er in verschillende smaken (elektron, muon en tau), en ze kunnen wisselen tussen smaken terwijl ze door de ruimte reizen. Plus, ze zijn minimaal interactief en superlicht.

Donkere materie neutrino's, als ze bestaan, zijn de veel zwaardere neef van de neutrino's. Steriele neutrino's genoemd, Er wordt voorspeld dat ze alleen in wisselwerking staan ​​met normale materie als ze tussen smaken wisselen.

Kandidaat #5:Zelf-interagerende donkere materie

Dit is een steeds populairdere optie. Wat als er niet slechts één type donkere materiedeeltje is, maar veel?

Net zoals normale materie een hele reeks verschillende deeltjes heeft, zo kan ook donkere materie. Maar omdat normale deeltjes en donkere deeltjes niet veel interactie hebben, we zullen het misschien nooit weten. Misschien is de enige manier waarop we deze deeltjes kunnen waarnemen, indirect, door hun zwaartekrachteffect op de evolutie van de kosmos. Denkkappen exploderen.

"Dit is heel fascinerend, " zegt Vid, in wat wel eens 's werelds grootste understatement zou kunnen zijn.

"Steeds meer mensen geloven dat donkere materie niet slechts één deeltje is, maar een verzameling deeltjes, misschien in een spiegelbeeld van de wereld die we kennen. De standaarddeeltjes die we kennen, maar losgekoppeld van ons behalve de zwaartekracht en op geen enkele andere manier met ons in wisselwerking staat."

Onzichtbaar mysterie

Zullen we ooit ontdekken waar donkere materie echt van gemaakt is? We zullen, we gaan ons best doen. Duizenden wetenschappers over de hele wereld zoeken naar tekenen, nieuwe ideeën uitproberen en verbluffende technologieën ontwikkelen.

Vroeger dachten we dat de wereld plat was. En dat ons universum zichtbaar was. Wat zullen de komende decennia brengen?

Dit artikel verscheen voor het eerst op Particle, een wetenschappelijke nieuwswebsite gebaseerd op Scitech, Perth, Australië. Lees het originele artikel.