Nieuwe Dark Matter-theorie weegt superzware deeltjes

Donkere materie zou gemaakt kunnen worden van deeltjes die elk bijna evenveel wegen als een menselijke cel en bijna vol genoeg om miniatuur zwarte gaten te worden, suggereert nieuw onderzoek.

Terwijl donkere materie wordt verondersteld vijf vijfden van alle materie in het universum te vormen, weten wetenschappers niet waar deze vreemde dingen van gemaakt zijn. Trouw aan zijn naam, is donkere materie onzichtbaar - hij straalt, reflecteert of blokkeert zelfs geen licht. Dientengevolge kan donkere materie momenteel alleen worden bestudeerd door zijn gravitatie-effecten op normale materie. De aard van donkere materie is momenteel een van de grootste mysteries in de wetenschap.

Als donkere materie is gemaakt van zulke superzware deeltjes, konden astronomen bewijs van hen detecteren in de naweeën van de oerknal, aldus de auteurs van een nieuw onderzoek. [Dark Matter Explained (Infographic)]

Voorgaand onderzoek naar donkere materie heeft meestal alle bekende gewone materialen uitgesloten als kandidaten voor wat dit mysterieuze spul uitmaakt. Zwaartekrachtseffecten die worden toegeschreven aan donkere materie omvatten de orbitale bewegingen van sterrenstelsels: de gecombineerde massa van de zichtbare materie in een sterrenstelsel, zoals sterren en gaswolken, kan geen verklaring vormen voor de beweging van een sterrenstelsel, dus een extra, onzichtbare massa moet aanwezig zijn. Tot dusver is de consensus onder wetenschappers dat deze ontbrekende massa bestaat uit een nieuwe soort deeltjes die slechts zeer zwak met gewone materie samenwerkt. Deze nieuwe deeltjes zouden buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica bestaan, wat de beste huidige beschrijving is van de subatomaire wereld.

Sommige donkere materiemodellen suggereren dat deze kosmische substantie is gemaakt van zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's, waarvan wordt gedacht dat ze ongeveer 100 keer de massa van een proton zijn, zei de onderzoekscophoract McCullen Sandora, een kosmoloog aan de Universiteit van Zuid-Denemarken . Ondanks veel zoekacties hebben onderzoekers tot nu toe echter geen afdoende WIMP's gedetecteerd, waardoor de mogelijkheid open bleef dat deeltjes van de donkere materie van iets wezenlijk anders zouden zijn gemaakt.

Nu onderzoeken Sandora en zijn collega's de bovenmassa van donkere materie - dat wil zeggen, ze proberen te ontdekken hoe massaal deze individuele deeltjes kunnen zijn, gebaseerd op wat wetenschappers van hen weten. In dit nieuwe model, dat bekend staat als de met Planck verwante donkere materie, weegt elk van de zwak in wisselwerking tredende deeltjes ongeveer 1019 of 10 miljard miljard keer meer dan een proton, of 'ongeveer zo zwaar als een deeltje kan zijn voordat het een miniatuur zwart gat wordt', vertelde Sandora aan ProfoundSpace.org.

Een deeltje dat 10 is19 de massa van een proton weegt ongeveer 1 microgram. In vergelijking suggereert onderzoek dat een typische menselijke cel ongeveer 3,5 microgram weegt.

Het ontstaan ​​van het idee voor deze supermassieve deeltjes "begon met een gevoel van moedeloosheid dat de voortdurende inspanningen om WIMP's te produceren of te detecteren, geen veelbelovende aanwijzingen lijken te geven," zei Sandora. "We kunnen het WIMP-scenario nog niet uitsluiten, maar met elk voorbijgaand jaar wordt het steeds weer een verdacht idee dat we dit nog niet hebben kunnen bereiken. In feite zijn er tot nu toe geen definitieve aanwijzingen dat er sprake is van elke nieuwe fysica voorbij het standaardmodel op elke toegankelijke energieschaal, dus we waren gedreven om te denken aan de ultieme limiet voor dit scenario. "

Aanvankelijk beschouwden Sandora en zijn collega's hun idee als niet meer dan een curiositeit, omdat de massieve aard van het hypothetische deeltje betekende dat er geen enkele manier was waarop een deeltjesversneller op aarde het kon produceren en zijn bestaan ​​kon bewijzen (of weerleggen).

Maar nu hebben de onderzoekers gesuggereerd dat als deze deeltjes bestaan, er tekenen van hun bestaan ​​te detecteren zijn in de kosmische achtergrondstraling van de microgolven, de nagloeiing van de oerknal die het universum ongeveer 13,8 miljard jaar geleden creëerde.

Op dit moment is de heersende opvatting in de kosmologie dat vlak na de oerknal het universum gigantisch in omvang groeide. Deze enorme groeispurt, inflatie genoemd, zou de kosmos hebben gladgestreken, en uitleggen waarom het er nu vrijwel hetzelfde uitziet in alle richtingen.

Nadat de inflatie was geëindigd, suggereert onderzoek dat de overgebleven energie het pasgeboren universum heeft verwarmd tijdens een periode die 'opwarmen' wordt genoemd. Sandora en zijn collega's suggereren dat extreme temperaturen die tijdens het opwarmen ontstaan, grote hoeveelheden van hun superzware deeltjes hebben geproduceerd, voldoende om de huidige zwaartekrachteffecten van de donkere materie op het universum te verklaren.

Om dit model te laten werken, moest de warmte tijdens het opwarmen echter aanzienlijk hoger zijn dan normaal wordt aangenomen in universele modellen. Een warmere opwarming zou op zijn beurt een kenmerk achterlaten in de kosmische achtergrondstraling van de microgolven die de volgende generatie kosmische microgolfachtergrondexperimenten kon detecteren. "Dit alles zal de komende jaren hopelijk het volgende decennium gebeuren," zei Sandora.

Als donkere materie wordt gemaakt van deze superzware deeltjes, zou een dergelijke ontdekking niet alleen licht werpen op de aard van de materie van het grootste deel van het universum, maar ook inzicht verschaffen in de aard van de inflatie en hoe deze begon en stopte - alles blijft zeer onzeker , zeiden de onderzoekers.

Als er bijvoorbeeld donkere materie is gemaakt van deze superzware deeltjes, onthult dat 'dat inflatie plaatsvond met een zeer hoge energie, wat op zijn beurt betekent dat het niet alleen fluctuaties in de temperatuur van het vroege universum, maar ook in de ruimte kon produceren. -tijd zelf, in de vorm van gravitatiegolven, 'zei Sandora. "Ten tweede, het vertelt ons dat de energie van de inflatie extreem snel in de materie moest vervallen, want als het te lang had geduurd, zou het universum zijn afgekoeld tot het punt dat het geen enkele Planckiaanse interactie in donkere materiedeeltjes kon produceren. helemaal niet. "

Sandora en zijn collega's hebben hun bevindingen online op 10 maart in het tijdschrift Physical Review Letters gepubliceerd.