Een van de lange tunnelarmen van het observatorium voor zwaartekrachtgolven KAGRA in Japan. University of Tokyo Institute for Cosmic Ray Research

Fysici bedenken nieuwe manier om te jagen op donkere materie met lasers

We kennen donkere materie enkel door haar effect op massieve astronomische lichamen - bepaalde sterrenstelsels -, maar ze is nog nooit direct waargenomen of zelfs maar indirect geïdentificeerd. Eén bepaalde theorie over wat donkere materie zou kunnen zijn, stelt dat het een deeltje zou kunnen zijn dat een axion genoemd wordt. En Japanse onderzoekers zeggen nu dat axionen opgespoord zouden kunnen worden met op lasers gebaseerde experimenten die al bestaan, namelijk met de detectoren voor zwaartekrachtgolven. 

De jacht op donkere materie, die meer dan 25 procent van het zichtbare universum uitmaakt, is al enige tijd geopend. Er bestaan veel theorieën over wat voor iets het zou kunnen zijn, maar veel natuurkundigen geloven dat donkere materie bestaat uit zwak wisselwerkende massieve deeltjes of WIMP's (weakly interacting massive particle). Dat betekent onder meer dat ze niet makkelijk in interactie gaan met gewone materie, en daar zijn we zeker van omdat WIMP's nog niet direct geobserveerd zijn. Maar ze moeten wel een zekere massa hebben aangezien we hun aanwezigheid kunnen afleiden uit de werking  van hun zwaartekracht. 

Er zijn al enorme inspanningen gedaan om donkere materie bestaande uit WIMP's te detecteren, onder meer met de Large Hadron Collider in Zwitserland, maar WIMP's zijn tot nu toe nog nooit waargenomen. 

Een alternatief kandidaat-deeltje dat in de belangstelling komt, is het axion. Axionen zijn hypothetische elementaire deeltjes die voorgesteld werden in 1977 om een probleem op te lossen in de kwantumchromodynamica, de theorie van de sterke interactie tussen quarks en gluonen. 

"We nemen aan dat het axion zeer licht is en nauwelijks interageert met onze vertrouwde soorten materie. Daarom wordt het beschouwd als een goede kandidaat voor donkere materie", zei assistent professor Yuta Michimura van de afdeling Fysica van de Universiteit van Tokio. "We kennen de massa van axionen niet, maar doorgaans denken we dat ze een lagere massa hebben dan elektronen. Ons universum zit vol met donkere materie en geschat wordt dat er 500 gram donkere materie in het binnenste van de aarde zit, zowat de massa van een eekhoorn." 

Een grafiek met de gevoeligheid van de detectoren voor zwaartekrachtgolven die geschikt zijn voor de jacht op axionen. 2019 Nagano et al

Polarisatie van licht

Axionen lijken een goede kandidaat voor donkere materie, maar aangezien ze slechts zeer zwak mogen interageren met gewone materie, zijn ze bijzonder moeilijk op te sporen. En dus bedenken natuurkundigen steeds ingewikkelder manieren om dit gebrek aan interactie te compenseren, in de hoop de kenmerken bloot te leggen die donkere materie verraden. 

"Onze modellen laten verstaan dat donkere materie bestaande uit axionen de polarisatie van licht moduleert [verandert], wat de richting is van de oscillatie [trilling] van elektromagnetische golven", zei Koji Nagano, een afgestudeerd student aan het Instituut voor Onderzoek naar Kosmische Straling van de Universiteit van Tokio.

"Die modulering van de polarisatie kan versterkt worden als het licht vele keren over en weer gereflecteerd wordt in een optische holle ruimte die bestaat uit twee parallelle spiegels die op een afstand van elkaar staan. De bekendste voorbeelden van dit soort van optische ruimten zijn de lange tunnelarmen van de observatoria voor zwaartekrachtgolven."

Luchtfoto van de Virgo-detector voor zwaartekrachtgolven in Italië. Van de dichtstbijzijnde tunnelarm is slechts een deel te zien. The Virgo Collaboration/Public domain

Goedkope oplossing

Onderzoek naar donkere materie krijgt niet zo veel aandacht of fondsen als andere, meer toepasbare gebieden van wetenschappelijk onderzoek, en dus getroosten de onderzoekers zich grote moeite om goedkope manieren te vinden om te zoeken naar donkere materie. 

Dat is relevant omdat andere theoretische manieren om axionen te observeren extreem sterke magnetische velden vragen, wat zeer duur is. De nieuwe manier die hier bedacht werd, stelt dat de bestaande observatoria voor zwaartekrachtgolven, zoals LIGO in de VS, Virgo in Italië of KAGRA in Japan, goedkoop aangepast zouden kunnen worden om op axionen te jagen, zonder dat dit een negatieve invloed zou hebben op hun huidige functies. 

"In ons nieuwe plan zouden we kunnen zoeken naar axionen door polarisatie-optische instrumenten voor fotodiode-sensoren toe te voegen aan detectoren voor zwaartekrachtgolven", zei Michimura. "De volgende stap die ik zou willen zien, is het toepassen van die instrumenten bij een detector zoals KAGRA."

Het idee is veelbelovend omdat de upgrades van de observatoria voor zwaartekrachtgolven de gevoeligheid niet zouden verminderen die ze nodig hebben voor hun voornaamste functie, het detecteren van zwaartekrachtgolven die ver weg ontstaan zijn. 

Er zijn al pogingen gedaan om axionen te vinden in experimenten en bij observaties, maar voorlopig is er nog geen positief signaal gevonden. De methode die de onderzoekers nu voorstellen, is veel preciezer. 

"Er is overdonderend astrofysisch en kosmologisch bewijs dat donkere materie bestaat, maar de vraag "Wat is donkere materie?' is een van de grootste onbeantwoorde problemen in de moderne fysica", zei Nagano. "Als we axionen kunnen detecteren en met zekerheid kunnen stellen dat ze donkere materie zijn, zou dat echt wel een opwindende gebeurtenis zijn. Het is waar fysici als ik van dromen."

De studie van Nagano en zijn collega's is gepubliceerd in Physical Review Letters. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de Universiteit van Tokio.

Het schema voor het instrument dat de onderzoekers voorstellen om te jagen naar zwarte materie bestaande uit axionen. 2019 Nagano et al

Meest gelezen