Jacht op donkere materie levert gouden tip op

Vraag een natuurkundige naar de belangrijkste onopgeloste problemen in de fysica en de vraag ‘wat is donkere materie?’ zit er sowieso bij. We weten al decennialang dat er van de materie zoals wij die kennen, opgebouwd uit protonen en neutronen, veel te weinig is om de waargenomen baanbeweging van sterren en sterrenstelsels te verklaren. Recenter bevestigden metingen van de kosmische achtergrondstraling en het effect van gravitatielenzen deze conclusie. Het heelal moet een flinke dosis van een extra ingrediënt bevatten, goed voor maar liefst 80 tot 85 procent van alle massa in het heelal. Het is net als ‘normale’ materie onderhevig aan de gravitatiekracht, maar gaat geen wisselwerking aan met licht, waardoor het voor ons onzichtbaar (‘donker’) blijft.

De zoektocht naar die mysterieuze kosmische smaakmaker houdt wetenschappers dan ook danig in de ban. Doorheen de jaren hebben ze tevergeefs een hele stoet kandidaten voorgesteld, van exotische deeltjes tot zwarte gaten. Precisie-instrumenten diep onder de grond proberen sporen van zeldzame interacties tussen donkere en normale materie op te vangen. En het zet sommige theoretische natuurkundigen, zoals de Nederlander Erik Verlinde, zelfs aan om de fundamenten van de fysica te herdenken: misschien bestaat donkere materie wel helemaal niet, maar denken we dat op basis van een onzuiver beschrijvingsmodel van de werkelijkheid.

Een nieuw spoor

Een hexaquark is samengesteld uit zes quarks.

Maar een echte doorbraak laat op zich wachten. Tot dusver althans, want Dr. MIkhail Bashkanov and Professor Daniel Watts, beiden verbonden aan het fysicadepartement van de University of York, hopen daar nu verandering in te brengen. Ze raakten geïntrigeerd door het in 2014 ontdekte deeltje d*(2380), kortweg d-ster. Waar protonen en neutronen uit drie quarks bestaan, is dit ongewoon deeltje een hexaquark: samengesteld uit zes quarks. Omdat het uit een even aantal quarks bestaat, is het een boson, een klasse van deeltjes met eigenschappen die behoorlijk verschillen van fermionen, waartoe het elektron, neutron en proton behoren.

Waar we nu onze deeltjesversnellers tot het uiterste moeten drijven om deze hexaquark aan te treffen, voeren Bashkanov en Watts in een publicatie in de Journal of Physics G Letters aan dat d-ster in de beginfase van het heelal in ruime mate geproduceerd werd. Toen het heelal begon af te koelen en uit te dijen, waren de omstandigheden volgens beide onderzoekers gunstig om deze bosonen te laten samenklonteren tot een zogenaamd Bose-Einstein condensaat, ook wel de vijfde aggregatietoestand genoemd (na vast, vloeibaar, gas en plasma).

In die toestand verliezen de afzonderlijke deeltjes hun identiteit en gedraagt het hele systeem zich alsof het één groot deeltje met een reeks merkwaardige eigenschappen was. “Onze eerste berekeningen geven aan dat dat een condensaat van d-sterdeeltjes een bruikbare kandidaat is voor donkere materie”, aldus Watts.

Als de onderzoekers gelijk hebben, betekent dit meteen ook dat het bestaande theoretisch kader van de fysica overeind blijft. Dit geldt als bijkomende troef. Want hoewel het voor de buitenwereld best spannend klinkt om de fysica 100 jaar na Einstein en de kwantumfysica opnieuw op z’n kop te zetten, levert het huidig theoretisch kader zo veel en zo verbluffend nauwkeurige overeenkomsten op met de empirische werkelijkheid dat veel natuurkundigen ze niet graag op de schop zien gaan.

Volgende stap

Hoe bemoedigend de eerste resultaten ook zijn, Bashkanov en Watts beseffen dat er nog een hele weg te gaan is. Bashkanov: “In de volgende stap moeten we een beter begrip krijgen van de interactie tussen d-ster hexaquarks – wanneer ze elkaar afstoten en wanneer aantrekken”. Hun onderzoek illustreert ook mooi het samenspel tussen experiment en theorie in de wetenschap. Na de experimentele ontdekking van het deeltje, volgde het theoretisch werk van Bashkanov en Watts. Maar nu is het woord opnieuw aan het experiment. Bashkanov opnieuw: “We werken aan nieuwe metingen om d-ster hexaquarks te maken binnen in een atoomkern, om na te gaan of hun eigenschappen dan anders zijn dan in vrije toestand”.

Daarnaast stellen ze ook onderzoeksstrategieën voor om de signatuur van het d*(2380)-condensaat in het heelal op te sporen. Vooral telescopen die naar X- en gammastralen kijken, moeten toelaten om het voorkomen van dit condensaat empirisch te toetsen.