Is Dark Matter Made of Axions?
Toen wetenschappers van een Italiaans laboratorium vorige week aankondigden dat onverwachte bliepjes in hun detector afkomstig zouden kunnen zijn van langgezochte subatomaire deeltjes die bekend staan als axionen, waren hun collega’s voorzichtig optimistisch: In de natuurkunde verbleken vermeende detecties van nieuwe deeltjes vaak tot onbeduidendheid naarmate onderzoekers meer gegevens verzamelen. En er zijn andere, meer prozaïsche verklaringen voor de bliepjes. Daar staat tegenover dat de theoretische argumenten voor het bestaan van axionen voor veel natuurkundigen overtuigend zijn. En de hypothetische deeltjes zijn een van de belangrijkste kandidaten voor donkere materie, de mysterieuze substantie die het grootste deel van het materiële universum uitmaakt. De bevestiging dat axionen echt zijn, zou een doorbraak betekenen voor de deeltjesfysica – een ontdekking met verstrekkende gevolgen voor ons begrip van de samenstelling en geschiedenis van het heelal.
Het axion-verhaal begint in de jaren zeventig, toen fysici die het Standaard Model ontwikkelden – het raamwerk dat de bekende deeltjes en hun interacties beschrijft – iets vreemds opmerkten aan de sterke kernkracht, die quarks samenbindt om de protonen en neutronen in de atoomkernen te vormen. Deze kracht reguleert op de een of andere manier de structuur van neutronen om ze perfect symmetrisch te maken. Met andere woorden, hoewel het neutron neutraal is, dragen de quarks in het neutron lading, en om onbekende redenen is deze lading ongelofelijk gelijkmatig verdeeld (volgens de laatste metingen tenminste tot op een miljardste van een deel). In de taal van de deeltjesfysica wordt gezegd dat het neutron lading-pariteit (CP) symmetrie heeft: het omkeren van al zijn ladingen van positief naar negatief, terwijl men ook zijn gedrag in een spiegel bekijkt, zou geen waarneembaar effect hebben. De vraag waarom het deeltje deze ordening heeft, werd bekend als het “sterke CP probleem.”
Toen, in 1977, stelden Helen Quinn en wijlen Roberto Peccei, beiden toen aan de Stanford Universiteit, een oplossing voor: misschien is er een tot nu toe onbekend veld dat de hele ruimte doordringt en de asymmetrieën van het neutron onderdrukt. Later concludeerden de theoretische natuurkundigen Frank Wilczek en Steven Weinberg dat als het Standaard Model zou worden aangepast om zo’n veld mogelijk te maken, dit het bestaan van een nieuw deeltje zou impliceren, het axion genoemd. (Wilczek kreeg het idee voor de naam van een merk wasmiddel.) Het axion zou geen kwantummechanische “spin” hebben, waardoor het een boson zou zijn. Zijn massa, hoewel niet nul, zou ongelooflijk klein zijn.
Ondanks hun minuscule gewicht zouden axionen in zulke grote aantallen bestaan, dat natuurkundigen zich al snel realiseerden dat zij een groot deel van de massa zouden kunnen verklaren die “ontbreekt” in het heelal: Astronomische waarnemingen die teruggaan tot de jaren 1930 suggereren dat zichtbare materie – sterrenstelsels, sterren, planeten, enzovoort – minder dan een zesde van de totale massa van alle materie in de kosmos vertegenwoordigt, terwijl donkere materie de rest uitmaakt. Over de aard van deze donkere materie is sindsdien hevig gediscussieerd.
“Het axion is eigenlijk een heel goede kandidaat voor donkere materie,” zegt Peter Graham van Stanford. Afgezien van de verwachting dat de kosmos overspoeld zou moeten worden met deze deeltjes, zouden axionen van nature “donker” zijn, wat betekent dat ze nauwelijks met gewone materie zouden interageren. “Het heelal produceert graag axionen,” zegt Graham, “en het produceert ze graag op zo’n manier dat ze zich gedragen als de koude donkere materie waarvan we weten dat die er is.”
“Koud” is een belangrijk voorbehoud: de axionen die onderzoekers naar verluidt hebben gedetecteerd met het XENON1T-experiment in het Italiaanse Gran Sasso Nationaal Laboratorium zouden waarschijnlijk in onze zon zijn geproduceerd. Ze zouden zeer energetisch zijn en het is dus onwaarschijnlijk dat ze een bestanddeel van donkere materie zijn. Donkere materie axionen zouden langzaam moeten bewegen, of koud moeten zijn, zodat ze kunnen samenklonteren om gravitationeel de evolutie van sterrenstelsels te leiden – zoals donkere materie wordt verondersteld te doen. Theoretici vermoeden dat zulke axionen in het vroege heelal zijn geproduceerd. Omdat de processen die koude axionen zouden creëren, verband zouden kunnen houden met de vroege groeispurt van het heelal – een buitengewone toename in omvang die bekend staat als inflatie – zou het vinden en verder bestuderen van deze ongrijpbare deeltjes natuurkundigen kunnen helpen de allereerste momenten na de oerknal te begrijpen. Hoewel de ontdekking van axionen niet bewijst dat de inflatie heeft plaatsgevonden, zegt Graham, zou het wel een waardevolle blik werpen op de fysica van dat tijdperk. “Voor mij is dat het opwindende van axionen,” voegt hij eraan toe.
Toch reageren wetenschappers voorzichtig, ook die van het XENON1T-team. Het enige waar zij zeker van zijn is dat zij een verrassend groot aantal “terugspringende” elektronen hebben gezien in het enorme vat met vloeibaar xenon dat het hart vormt van het experiment. Wat de elektronen heeft doen springen, staat nog ter discussie. Als subatomaire deeltjes, neutrino’s genaamd, onvoorziene magnetische eigenschappen hebben, zou deze opstelling de waargenomen resultaten kunnen verklaren. Maar de verklaring kan ook meer alledaags zijn: het xenon kan vervuild zijn met tritium – een zwaardere vorm van waterstof waarvan de natuurlijke straling het signaal dat bij XENON1T is waargenomen, kan hebben vertroebeld. Bovendien is het betrouwbaarheidsniveau van het afwijkende signaal slechts “3,5 sigma” – wat betekent dat er een kans is van 1 op 5.000 dat het “signaal” eigenlijk gewoon ruis is, het product van statistische fluctuaties in plaats van echte nieuwe fysica. Die kans klinkt misschien goed, maar ligt ver onder de norm van één op 3,5 miljoen, of “vijf sigma”, die traditioneel wordt gekoppeld aan legitieme ontdekkingen in de deeltjesfysica.
Naast het verzamelen van meer gegevens en het verbeteren van hun experiment, zullen de XENON1T-onderzoekers kijken naar eventuele jaarlijkse veranderingen in het schijnbare signaal. Zonne-axionen zouden dat signaal moeten laten fluctueren als de aarde om de zon draait. Ondertussen zou bevestigend bewijs kunnen komen van het Axion Dark Matter Experiment (ADMX) aan de Universiteit van Washington of een experiment dat bekend staat als CAST (CERN Axion Solar Telescope) bij CERN in de buurt van Genève. ADMX is er al in geslaagd om nieuwe beperkingen op te leggen aan de massa van het axion, en CAST is sinds 2003 op zoek naar axionen in de zon.
Als axionen echt blijken te bestaan, zou dat “een triomf van de theoretische natuurkunde zijn – om dit soort esthetische argumenten te hebben gemaakt, en dan zegt de natuur: ‘Yup, dat klopt,'” zegt Wilczek, die is gevestigd aan het Massachusetts Institute of Technology en in 2004 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg voor zijn theoretische werk aan de sterke kernkracht. Het bestaan van axionen, zegt hij, zou wijzen op nieuwe fysica buiten het Standaard Model – iets waar hij en zijn collega’s al tientallen jaren op anticiperen. Er zouden nieuwe soorten antennes kunnen worden gebouwd om te zoeken naar axionen die in het vroege heelal zijn ontstaan, stelt Wilczek voor. Als deze axionen met succes kunnen worden gemeten, zou dat “een nieuw hoofdstuk in de astronomie openen”, voegt hij eraan toe, omdat het gedrag van de deeltjes licht zou kunnen werpen op de vorming van sterrenstelsels en “mogelijk andere verrassende dingen.”
Hoewel dergelijke ontwikkelingen waarschijnlijk Nobel-waardig zouden zijn, maakt Wilczek op zijn plank geen ruimte vrij voor een tweede medaille. Maar als er nog een Nobelprijs op zijn pad zou komen, zegt hij, “zou hij die niet afslaan.”