Theoretisch fysici hebben het mogelijke bereik voor de massa van donkere materiedeeltjes flink ingeperkt. Dit bereik blijkt veel kleiner dan voorspeld. Daardoor hoeven donkere-materiejagers maar met een beperkt aantal deeltjes rekening te houden.
Massa van donkere materiedeeltjes maximaal 20 maal zo groot als elektron
Bij hun berekeningen gingen de onderzoekers er van uit dat alleen de zwaartekracht op de deeltjes inwerkt. Ze berekenden dat de massa van de donkere materiedeeltjes tussen de 0,001 en 10 000 000 eV/c2 moet liggen. Om een indruk te geven: elektronen hebben een massa van 511 000 eV/c2, protonen en neutronen nog eens rond de duizend maal meer. Dat betekent dat de donkere materie-deeltjes maximaal 20 maal zo zwaar zijn als een elektron, of veel lichter
Dat klinkt als een enorme onzekerheid, en dat is het ook. Maar vergeleken met het eerdere massabereik – tussen de 10-24 eV en 1019 GeV (de Planck-massa, waarbij deeltjes direct ineenstorten tot een zwart gat), is dit een zeer sterke afname. Vergelijk een onzekerheid van een getal met vijftig cijfers, met die van tien cijfers. We weten nu bijvoorbeeld dat het hypothetische deeltje X ruim binnen het bereik van onze deeltjesversnellers ligt. Nu kunnen we ook veel gerichter zoeken. Deze schatting is een indrukwekkende prestatie, zeker als je bedenkt dat we alleen de massaverdeling van donkere materie kennen. En verder niets weten.
Kwantumzwaartekracht
Voor het stellen van deze grenzen is gebruik gemaakt van onze bestaande kennis over kwantumzwaartekracht. Dit laat zien dat donkere materie niet ‘ultralicht’ of ‘superzwaar’ kan zijn, zoals sommigen theoretiseren, tenzij er een nog onbekende extra kracht op inwerkt. Dit onderzoek helpt natuurkundigen op twee manieren: het perkt het zoekgebied voor donkere materie enorm sterk in, en het zal mogelijk ook helpen onthullen of er al dan niet een mysterieuze onbekende extra kracht in het universum is.[1]
Zowel de aanhangers van de snaartheorie, als van loop quantum gravity zijn het er over eens dat er iets als kwantumzwaartekracht bestaat. Een groep mensen, waaronder ik, heeft daar vraagtekens bij. En dus ook bij deze uitkomst. Mijn persoonlijke gevoel is, dat zwaartekracht in werkelijkheid de kwantumverstrengeling is tussen reële en virtuele deeltjes. Deze kwantumverstrengeling vermindert dan de vrijheidsgraden van virtuele deeltjes, dus lijkt ruimtetijd in te krimpen. Precies het effect dat je ziet door zwaartekracht. De theorie dat tijd voortkomt uit kwantumverstrengeling is overigens al onderwerp van serieus onderzoek.
Het zichtbare universum bestaat voor slechts vijf procent uit ‘normale’, baryonische materie. Vijfentwintig procent komt voor rekening van donkere materie, terwijl zeventig procent van de totale energie-inhoud van het universum uit donkere energie bestaat.
Bronnen
- X. Calmet en F. Kuipers, Theoretical bounds on dark matter masses, Physics Letters B, Volume 814, 10 March 2021, DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136068