Mogelijke verklaring van donkere materie gevonden

Mogelijke verklaring van donkere materie gevonden

Mijn eindstage was bij de onderzoeksafdelingen sterrenkunde en experimentele hoge energie fysica en ging over het zoeken naar een mogelijke verklaring van donkere materie. Deze heb ik gevonden, en is ondertussen al gepubliceerd in de Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP). Je kunt de publicatie hier helemaal lezen. Hij is tevens in de super gerenommeerde tijdschiften Nature en Scientific American gekomen.

Een heel bijzondere meting

Al in 2010 heeft de Fermi satelliet een heel bijzondere meting gedaan aan het centrum van onze melkweg. De Fermi satelliet meet de hoeveelheid gammastraling die van het galactisch centrum komt. Vervolgens proberen sterrenkundigen de herkomst van al die straling te herleiden aan objecten die daar staan. Gammastraling is elektromagnetische straling, net zoals zichtbaar licht, maar dan met een veel hogere energie. De herkomst van die straling kan het superzwaar zwarte gat in het centrum van de melkweg zijn, supernova’s (sterren aan het eind van hun leven die exploderen) of een aantal andere dingen. Echter kon niet alle gemeten straling verklaard worden…

De Fermi satelliet

Nadat alle bekende stralingsbronnen bij elkaar opgeteld waren, was er nog steeds straling die onverklaard bleef. Een mogelijke herkomst van deze straling is dat het afkomstig is van annihilatie van donkere materie. Naast materie is er ook antimaterie. Dat is met donkere materie ook: anti donkere materie. Als materie en antimaterie met elkaar in contact koment annihileren ze en krijg je hele sterke straling (gammastraling). Dit is met donkere materie niet anders.

De meting van de Fermi satelliet is heel erg belangrijk geweest, omdat het een ijkpunt voor wetenschappers is met betrekking tot donkere materie. Dit ijkpunt kan gebruikt worden om nieuwe theorieën te toetsen, en te zien of deze theorieën de meting van de Fermi satelliet kunnen reproduceren.

Theoretisch model

Aan de andere kant proberen natuurkundigen al tientallen jaren de opvolger van het standaardmodel te vinden. Het standaardmodel van de deeltjesfysica is de beste theorie die het heelal op kleine (kwantum) schaal verklaart. Samen met de relativiteitstheorie van Einstein kunnen we nagenoeg alles verklaren in de wereld om ons heen. Elk experiment in elke deeltjesversneller ooit gebouwd past binnen het kader van het standaardmodel en dat maakt het standaardmodel de meest succesvolle theorie in de geschiedenis van de natuurkunde.

Echter is de theorie niet compleet. Het standaardmodel ‘praat’ niet dezelfde taal als relativiteitstheorie, donkere materie wordt niet verklaard en er zijn nog een aantal andere problemen binnen de natuur- en sterrenkunde waar het standaardmodel niks over zegt. Het standaardmodel is dus heel goed, maar incompleet.

Een mogelijke opvolger van het standaardmodel is supersymmetrie, een theorie die meer deeltjes voorspelt en beschrijft, waaronder een donker materie deeltje: het neutralino.

Supersymmetrie is echter meer een concept dan een theorie: er zijn meer dan 100.000.000.000.000.000.000 mogelijke configuraties binnen de theorie die allemaal consistent zijn. Dat houdt in dat voor al die configuraties de theorie klopt. Moeder natuur heeft er echter maar één uitgekozen. Of nul, als supersymmetrie niet de opvolger van het standaardmodel is. En zonder ijkpunt is er geen enkele manier om te weten welke juist is en welke niet…

Zoeken naar een speld in een hooiberg

Door de meting van de Fermi satelliet is er nu een ijkpunt waar al die supersymmetrische modellen aan moeten voldoen. Het volgende gebeurt namelijk met de meting van de Fermi telescoop:

  • In het centrum van de melkweg bevindt zich een donker materiedeeltje
  • Dit deeltje heeft ook een antideeltje
  • Wanneer ze annihileren (botsen), komt er gammastraling vrij
  • Deze straling reist naar onze Fermi telescoop en wordt daar gemeten

De kunst is nu om met een model te berekenen hoeveel gammastraling je zou meten met de Fermi satelliet als gevolg van het bovenstaande proces. Je probeert dus met computersimulaties (van een supersymmetrisch model) precies te berekenen wat de Fermi satelliet heeft gemeten. Een hele klus, maar de software hiervoor wordt al sinds de jaren 70 ontwikkeld en is vrij te gebruiken (DarkSusy, voor de geïnteresseerden).

De meting van de Fermi satelliet. De afbeelding laat de hoeveelheid gammastraling die over is zien, nadat alle bekende bronnen weggehaald zijn. Paars is weinig en rood is veel, maar 'weinig' betekent nog steeds: 'meer dan dat we kunnen verklaren'.

Elk model is anders, en elk model geeft een ander antwoord. Als het antwoord precies hetzelfde is als wat de Fermi satelliet gemeten heeft, dan heeft het model de meting verklaard. Als dat niet zo is, dan is dat model onjuist en kun je hem doorstrepen. Op die manier kun je dus goede en slechte modellen binnen de supersymmetrie van elkaar scheiden. Voor het eerst sinds… Ooit!

Het enige wat dan nog rest is voor alle 100 miljard miljard modellen uitrekenen hoeveel gammastraling de Fermisatelliet zou zien. Vervolgens het antwoord vergelijken met wat er gemeten is en als het niet goed is het model uitsluiten. Maar zoals je misschien wel kunt bedenken zijn deze computersimulaties niet niks, en 100 miljard miljard modellen zou tientallen jaren duren om door te rekenen. Zelfs met een supercomputer.

Om toch een kans te maken om een goed model te vinden, heb je een slim zoekprogramma nodig die niet zomaar alle modellen gaat proberen. Hij moet slim uitkiezen welk model kans heeft en welke sowieso niet. Hiervoor is een genetisch algoritme gemaakt, dat leert van zijn eigen fouten. Door dus op een goede manier door die 100 miljard miljard mogelijkheden te zoeken heb ik er uiteindelijk drie gevonden die de gammastraling correct beschrijft. Drie uit de 100 miljard miljard. Hiervoor zijn ‘maar’ 100 miljoen modellen doorgerekend. Dat is heel veel, maar is maar 0,0000000001% van de 100 miljard miljard mogelijkheden.

Toekomst

Er zijn een aantal detectoren die direct donkere materie proberen te meten. Deze detectoren vinden steeds maar niks, maar daardoor kunnen ze wel bepaalde dingen uitsluiten. Denk aan: ‘Als het donker materie deeltje deze grootte had, dan hadden we hem al gezien. We hebben hem niet gezien, dus is het deeltje kleiner dan dat’. De drie modellen die overgebleven zijn, zijn niet uitgesloten door alle metingen van alle detectoren die iets over donkere materie zeggen.

Daarnaast kun je ook aantonen dat de Large Hadron Collider in CERN deze drie modellen nog niet had kunnen zien, maar dat de tweede run (die nu bezig is) ze wel zou moeten kunnen opsporen. Ook kan een verbeterde versie van de XENON100 detector (die donkere materie probeert te meten), twee van de drie modellen uitsluiten of bevestigen.

Als één van deze modellen juist blijkt te zijn is daarmee het probleem van donkere materie opgelost én de opvolger van het standaardmodel bekend. Twee vliegen in een klap dus. Deze twee problemen zijn allebei al meer dan vijftig jaar oud, dus dit oplossen zou een enorm succes voor de natuur- en sterrenkunde zijn. Het is alleen nog even wachten op de data uit de LHC en de nieuwe XENON1T detector om te zien of het echt zo is!

Luc Hendriks's afbeelding

Over Luc Hendriks

Nijmegen http://www.heel.al

Reacties