Het steriele neutrino, een nieuw donkere materie-deeltje

De Leidense astrofysicus Alexey Boyarsky en zijn team hebben mogelijk een spoor gevonden van donkere materie die een nieuw elementair deeltje zou kunnen zijn: het steriele neutrino. Enkele dagen geleden geleden had een team uit Harvard een zeer gelijkend signaal gerapporteerd.
Het sterrenstelsel NGC 1275 in het centrum van de Perseus-cluster.

De twee groepen meldden deze week dat ze een indirect signaal gevonden hebben van donkere materie in de spectra van sterrenstelsel en clusters van sterrenstelsels. Ze deden hun ontdekking onafhankelijk van elkaar, maar kwamen tot dezelfde conclusie, namelijk dat er een kleine piek verborgen zit in de x-stralenspectra van de Perseus cluster, op een frequentie die niet verklaard kan worden door een bekende atomaire overgang of kwantumsprong.

Het team uit Harvard zag dezelfde piek ook bij vele andere clusters van sterrenstelsels, Boyarsky en zijn team vonden hem ook in het nabijgelegen Andromeda-sterrenstelsel, het meest nabijgelegen spiraalvormig sterrenstelsel.

De onderzoekers schrijven de piek toe aan het verval van een nieuw soort neutrino. Die wordt het steriele neutrino genoemd, omdat het niet reageert met de andere bekende neutrino's. Tot nu toe waren er drie soorten neutrino's bekend: het elektron-neutrino, het muon-neutrino en het tau-neutrino (kleine foto). Neutrino's hebben geen lading maar wel massa, en het steriele neutrino zou met zijn massa dus de ontbrekende donkere materie kunnen vormen.

LAGUNA DESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Kleine aanpassing

De eerste aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie - materie die niet direct kan worden waargenomen - werden meer dan tachtig jaar geleden gevonden, en er blijven nog veel vragen bestaan rond de onzichtbare materie. Steriele neutrino's zijn een aantrekkelijke kandidaat voor een donkere materie-deeltje, omdat er voor hun bestaan slechts een kleine aanpassing nodig is van het bekende en uitgebreid geteste standaard model van de elementaire deeltjes.

Boyarsky en zijn collega's hadden die uitbreiding van het standaard model al een tijdje klaar, maar ze wachtten op de eerste observatie van het mysterieuze deeltje. Metingen met een hogere resolutie zullen meer licht op de zaak werpen, en er zijn redenen om te hopen dat de net ontdekte piek in de spectrumlijn eindelijk het probleem van de ontbrekende materie zal oplossen. 

Donkere materie

Donkere materie is een hypothetisch soort materie in het universum, die niet zichtbaar is met optische middelen en dus niet te ontdekken valt via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt. Daarom wordt ze donkere materie genoemd, om haar te onderscheiden van de zichtbare materie.

Men neemt aan dat de normale materie slechts 4 procent uitmaakt van alles wat er is in de kosmos. Donkere materie zou 22 procent voor haar rekening nemen en donkere energie 74 procent.

Het bestaan van donkere materie (en energie) is nodig om de baanbewegingen van verre sterren en afgeplatte spiraalvormige sterrenstelsels die we waarnemen, te verklaren op een manier die overeenstemt zowel met de zwaartekrachttheorie als met de relativiteitstheorie.

De zichtbare materie in deze sterrenstelsels heeft namelijk niet genoeg massa om de bewegingssnelheid van de sterrenstelsels in hun baan om het gemeenschappelijk zwaartepunt te verklaren. Om de bewegingssnelheid met de bestaande zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie te verzoenen, veronderstellen astronomen dat er extra materie aanwezig is, die tot nog toe niet gedetecteerd kan worden. Zonder die materie zouden de sterrenstelsels niet rond het centrum blijven draaien maar wegvliegen uit hun baan.

RICHARD KAIL/SCIENCE PHOTO LIBRARY

Neutrino's

Neutrino's zijn elektrisch ongeladen, subatomaire, elementaire deeltjes.

Ze hebben geen lading - vandaar de naam: neutrino is Italiaans voor kleine neutrale -, maar wel een kleine massa. Neutrino's vertonen nauwelijks wisselwerking met materie, en gaan bijna ongehinderd door gewone materie heen.

Neutrino's worden gevormd door de nucleaire processen in de zon en andere sterren en de meeste neutrino's die de aarde bereiken, zijn afkomstig van de zon. Per seconde wordt elke vierkante centimeter van de ruimte in de nabijheid van de aarde, die loodrecht op de richting van de zonnestralen staat, gepasseerd door 65 miljard zonneneutrino's. De meeste neutrino's gaan ongehinderd dwars door de aarde heen, uitzonderlijk botst er eens een op een proton.

CAROL & MIKE WERNER, VISUALS UNLIMITED /SCIENCE PHOTO LIBRARY