Vergeten bureaubladexperiment levert aanwijzing voor donkere materie

Niet de miljarden euro’s kostende deeltjesversnellers Tevatron en LHC, maar een 10 jaar oud experiment bevat aanwijzingen voor het bestaan van hypothetische axionen, de op een na belangrijkste kandidaten voor donkere materiedeeltjes.

Wat zijn axionen?
In de exotische kwantumtheorie die het gedrag van voor de sterke kernkracht gevoelige deeltjes, dus quarks (de deeltjes waar protonen en neutronen bestaan) en gluonen, beschrijft, kwantumchromodynamica, zit een symmetrisch element. Onder natuurkundigen staat bekend als de CP pariteit. Deze komt erop neer, dat je tegelijkertijd een deeltje door het anti-deeltje kan vervangen, en de ruimtelijke dimensies kan omkeren zonder dat het deeltje zich in kwantumchromodynamica anders gaan gedragen. Opmerkelijk genoeg voorspelt de Lagrangiaan van de kwantumchromodynamica dat dit niet kan. Een van de manieren om te verklaren waarom dit in kwantumchromodynamica wel kan, is om een compenserend deeltje, [latex]\bar{\Theta}[/latex], in te voeren dat de asymmetrie herstelt en zo de Lagrangiaan kloppend maakt: de Peccei-Quinn hypothese. Dit hypothetische deeltje, axion genaamd, is extreem licht, in de orde van grootte van een miljardste van een elektronmassa. Omdat die deeltje nauwelijks met gewone materie reageert, is het een ideale kandidaat voor donkere materie.

Stom toeval
Bijna alle aandacht voor donkere materie wordt besteed aan het zoeken naar zogeheten WIMP’s: weakly interacting massive particles. De hoop is, dat deze worden aangetoond in gevoelige detectoren die donkere materie zouden kunnen opvangen. Tot nu toe zijn de resultaten niet echt hoopgevend. Dit geldt ook voor de schaarse experimenten die zich op axionen richtten.

Toch lijkt het erop, dat daar nu verandering in komt. In 2004 ontdekten François Lefloch en zijn team in een Josephsonschakeling een onverklaarbare overmaat aan stroom. Dit resultaat publiceerden ze ook[1]. Josephsonschakelingen zijn extreem gevoelig. Ze meten de extreem zwakke stroom, veroorzaakt door supergeleidende Cooperparen (in supergeleiders vormen elektronen deze paren) die door een normaal geleidend materiaal tussen twee supergeleiders, de Josephson junction, tunnelen. Dat maakt ze bijvoorbeeld erg geschikt om zwakke magneetvelden te meten. De theorie die het gedrag van Josephsonschakelingen beschrijft, is afgeleid van de nauwkeurigste natuurkundige theorie die we kennen, kwantumelektrodynamica. Met andere woorden: een afwijking kan alleen veroorzaakt worden door een experimentele fout, of door een nog onbekend deeltje of kracht, zoals een axion, dat impuls overdraagt aan  Cooperparen (in het dagelijks leven bekend als: een zetje geeft).

Christian Beck van School of Mathematical Sciences Queen Mary, University of London, kreeg deze meetresultaten onder ogen. Anders dan Lefloch, die iets heel anders onderzocht, zocht hij in de literatuur gericht naar axionen en hun gedrag in meetapparatuur[2]. Naar bleek, voldeed de proefopstelling van Lefloch precies aan de eisen om axionen met een massa van 0,11 meV/c² waar te kunnen nemen[2]. De gemeten afwijking was ook precies gelijk aan de afwijking, die een axion zou veroorzaken. Het lijkt er dus op dat, als het experiment van Lefloch succesvol wordt herhaald en de merkwaardige stroom weer wordt aangetoond, we wel eens de eerste tastbare aanwijzing voor donkere materie zouden kunnen vinden. Het zal niet de eerste keer zijn, dat met een simpel goedkoop experiment big science geklopt wordt.

Bronnen
1. C. Hoffmann, F. Lefloch, M. Sanquer, B. Pannetier,  Mesoscopic transition in the shot noise of diffusive S/N/S junctions, Phys. Rev. B 70, 180503(R) (2004)
2. Beck, Christian.  “Possible Resonance Effect of Axionic Dark Matter in Josephson Junctions”. Physical Review Letters 111(23): 1801. doi:10.1103/PhysRevLett.111.231801 (gratis versie hier)