Bestaat de rest van het heelal wel uit protonen, neutronen en elektronen, het spul waar de aarde en wijzelf uit bestaan? Dat is verre van zeker, volgens veel natuurkundigen. NASA lanceert nu de satelliet Alpha Magnetic Spectrometer om op zoek te gaan naar zaken als ‘strange’ materie, antimaterie en donkere materie.
De AMS kende een droevige geschiedenis. Het apparaat zou aan boord van de Space Shuttle worden gelanceerd en op het internationale ruimtestation ISS worden geïnstalleerd om daar op jacht te gaan naar deeltjes. Helaas werd na de ramp met het ruimteveer Columbia in 2003 deze vlucht afgelast, waardoor de satelliet enkele jaren in een werkplaats dreigde te verstoffen. Nu hebben enkele ontdekkingen en recente theoretische ontwikkelingen alsnog goede redenen gegeven de satelliet alsnog te lanceren.
Antimaterie
Materie kent een spiegelbeeldvariant: antimaterie. Als materie en antimaterie elkaar raken, vernietigen ze elkaar in een felle explosie. Een gram antimaterie staat gelijk aaan de explosieve kracht van de Hiroshima-bom.Volgens de gangbare theorieën is alle antimaterie vernietigd vlak na de Big Bang en bleef er een klein restje materie over waaruit zich sterren en planeten zoals de aarde vormden.
Volgens sommigen zijn er ergens in het heelal nog grote hoeveelheden antimaterie. In het zonnestelsel in ieder geval gelukkig niet, anders hadden we geregeld een grote explosie waargenomen. De AMS gaat op zoek naar deeltjes antihelium. Worden die waargenomen, dan weten we dat er ergens out there grote hoeveelheden antimaterie moeten bestaan. Ongetwijfeld kan daar weer een leuk doomsday wapen van gebrouwen worden. Met een lucifersdoosje een complete stad kunnen opblazen, is voor de gemiddelde generaal waarschijnlijk een onweerstaanbaar vooruitzicht.
Strange matter
Protonen en neutronen, de kerndeeltjes waar wij (met elektronen) uit bestaan, zijn uit twee soorten quarks opgebouwd: up en down (een positief proton is met twee upquarks en een downquark vrolijker dan een neutraal neutron, dat uit twee downquarks en een upquark bestaat). Er zijn echter (voor zover we weten) zes quarks, naast de up- en downquark zijn dat de veel zwaardere ‘strange’ en ‘charm’ quarks, de tweede generatie en de derde generatie, de extreem zware top quark en bottom quark. Deze zware quarks vallen zeer snel uit elkaar. En, uiteraard, heeft elke quark ook zijn antiquark.
Volgens een theorie van de Deen Jes Madsen van de Aarhus Universiteit in Denemarken bestaat er ‘strange’ materie: druppels materie dus waar ‘strange’ quarks in voorkomen en is deze stabieler dan onze standaard materie. Klopt dit, dan zouden we uiteindelijk op ‘vreemde’ wijze eindigen en bestaan bijvoorbeeld neutronensterren voornamelijk uit strange materie. Inderdaad werden door een prototype deeltjesdetector aan boord van de Space Shuttle in 1998 vreemde deeltjes waargenomen met de lading van een heliumkern (twee eenheden positief dus) maar de massa van een zuurstofkern of ijzerkern. Precies de deeltjeseigenschappen die strange matter ook zou vertonen, stelt Jensen. Strange matter kan ook de aanwezigheid van donkere materie verklaren, vermoedt hij.
Neutralino’s
Uit de vruchtbare geest van theoretisch natuurkundigen is ook een andere kandidaat voor donkere materie ontsproten: het neutralino. Neutralino’s worden voorspeld door supersymmetrie (en dus snaartheorie) en zijn (als ze bestaan) Majoranadeeltjes: deeltjes die hun eigen antideeltjes zijn. Het gevolg: als twee neutralino’s elkaar ontmoeten, vernietigen ze elkaar, waarbij een elektron en een positron (antimaterie-elektron) vrijkomen. Als deze twee elkaar vernietigen ontstaat gammastraling met een karakteristieke golflengte. De deeltjesdetector PAMELA, aan boord van een Russische satelliet, vond hier reeds aanwijzingen voor. Niet één positron op de tienduizend elektronen in kosmische straling, maar een op de honderd. Er moet dus een verborgen positronbron zijn. Dit zouden neutralino’s kunnen zijn, maar merkwaardig genoeg bleken antiprotonen wel uiterst zeldzaam (1:10.000), wat hiermee in strijd is. Ook hiernaar moet de deeltjesdetector op jacht gaan.
Het kan zijn dat PAMELA de antiprotonen niet detecteerde omdat ze teveel energie hebben. Een sterkere magneet (zoals aan boord van AMS) laat geladen deeltjes kleinere cirkels draaien, waardoor ook energierijke deeltjes kunnen worden gedetecteerd. Helaas zijn de plannen om een supergeleidende, met helium gekoelde magneet aan boord te krijgen niet gelukt. Het heliumverbruik bleek door warmtelekken te groot. Een langere missieduur moet dit nu compenseren. Mogelijk kunnen zo de eventuelee snelle antiprotonen – of andere, nog vreemdere deeltjes – alsnog worden gedetecteerd en weten we eindelijk waar donkere materie uit bestaat.
Bron
New Scientist
AMS-02