Twee theoretische natuurkundigen aan de Universiteit van Californië, Davis heeft een nieuwe kandidaat voor donkere materie, en een mogelijke manier om het te detecteren. Ze presenteerden hun werk op 6 juni op de Planck 2019-conferentie in Granada, Spanje en het is ingediend voor publicatie.

Men denkt dat donkere materie iets meer dan een kwart van ons heelal uitmaakt, met de meeste van de rest nog mysterieuzere donkere energie. Het is niet direct te zien, maar de aanwezigheid van donkere materie kan worden gedetecteerd omdat de zwaartekracht ervan de vorm van verre sterrenstelsels en andere objecten bepaalt.

Veel natuurkundigen geloven dat donkere materie bestaat uit een deeltje dat nog moet worden ontdekt. Al enige tijd, de favoriete kandidaat was het Weakly Interacting Massive Particle of WIMP. Maar ondanks jaren van inspanning, WIMP's zijn tot nu toe niet opgedoken in experimenten die zijn ontworpen om ze te detecteren.

"We weten nog steeds niet wat donkere materie is, " zei John Terning, hoogleraar natuurkunde aan UC Davis en co-auteur van het papier. "De belangrijkste kandidaat was lange tijd de WIMP, maar het lijkt erop dat dat bijna volledig is uitgesloten."

Een alternatief voor het WIMP-model van donkere materie vraagt ​​om een ​​vorm van "donker elektromagnetisme", inclusief "donkere fotonen" en andere deeltjes. Donkere fotonen zouden een zwakke koppeling hebben met "gewone" fotonen.

In hun nieuwe krant Terning en postdoctoraal onderzoeker Christopher Verhaaren voegen een draai aan dit idee toe:een donkere magnetische "monopool" die zou interageren met het donkere foton.

In de macroscopische wereld magneten hebben altijd twee polen, Noord en Zuid. Een monopool is een deeltje dat werkt als het ene uiteinde van een magneet. Monopolen worden voorspeld door de kwantumtheorie, maar zijn nog nooit in een experiment waargenomen. De wetenschappers suggereren dat donkere monopolen zouden interageren met donkere fotonen en donkere elektronen op dezelfde manier als de theorie voorspelt dat elektronen en fotonen interageren met monopolen.

Een nieuwe manier om donkere materie te detecteren

En dat impliceert een manier om deze donkere deeltjes te detecteren. De natuurkundige Paul Dirac voorspelde dat een elektron dat in een cirkel in de buurt van een monopool beweegt, een faseverandering in zijn golffunctie zou opvangen. Omdat elektronen in de kwantumtheorie zowel als deeltjes als als golven bestaan, hetzelfde elektron zou aan weerszijden van de monopool kunnen passeren en daardoor aan de andere kant enigszins uit fase zijn.

Dit interferentiepatroon, het Aharonov-Bohm-effect genoemd, betekent dat een elektron dat rond een magnetisch veld gaat erdoor wordt beïnvloed, zelfs als het niet door het veld zelf gaat.

Terning en Verhaaren beweren dat je een donkere monopool zou kunnen detecteren vanwege de manier waarop deze de fase van elektronen verschuift als ze voorbij komen.

"Dit is een nieuw type donkere materie, maar er is ook een nieuwe manier om ernaar te zoeken, ' zei Terning.

Elektronenbundels zijn relatief eenvoudig te verkrijgen:in de jaren zestig werden elektronenmicroscopen gebruikt om het Aharonov-Bohm-effect aan te tonen, en de elektronenstraaltechnologie is in de loop van de tijd verbeterd, merkte Terning op.

theoretisch, donkere materiedeeltjes stromen de hele tijd door ons heen. Om detecteerbaar te zijn in het model van Terning en Verhaaren, de monopolen zouden door de zon moeten worden opgewekt. Dan zouden ze er ongeveer een maand over doen om de aarde te bereiken, reizen met ongeveer een duizendste van de lichtsnelheid.

Anderzijds, de voorspelde faseverschuiving is extreem klein - kleiner dan nodig is om zwaartekrachtgolven te detecteren, bijvoorbeeld. Echter, Terning merkte op dat toen het LIGO zwaartekrachtgolfexperiment voor het eerst werd voorgesteld, de technologie om het te laten werken bestond niet - in plaats daarvan, technologie is in de loop van de tijd ingehaald.