Anapole donkere materie: heeft donkere materie een onzichtbaarheidsmantel?

Share Button

Vijfzesde van de materie in het heelal bestaan uit materie die we niet waar kunnen nemen, anders dan door zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld pijnigen zich de hersenen over de aard van deze materie. Een nieuw, eenvoudig maar krachtig idee wordt de laatste jaren steeds populairder. Zou donkere materie zich vermommen door anapole elektromagnetische velden die elkaar cancelen?

Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).

Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).

Anapolen: onzichtbare velden
Eerst een lesje Grieks. Een magneet heeft een noord- en zuidpool, twee polen dus en heet daarom een dipool. Een elektrische lading kan wel los voorkomen en vormt een enkele pool, een monopool. Uiteraard kan van een positieve lading, gescheiden van een negatieve lading, ook een dipool gemaakt worden. Er bestaan ook elektromagnetische velden met vier polen (quadrupolen) en acht polen (octapolen). Anapolen (zonder pool) kennen geen enkele pool. Een anapool veld is van buiten onzichtbaar. Een elektromagnetische onzichtbaarheidsmantel dus. Wat, als donkere-materiedeeltjes door zo’n anapool veld omgeven worden en daarom onzichtbaar zijn? Dit zou verklaren, waarom ze niet waar te nemen zijn.

Majoranadeeltjes
De op mysterieuze wijze in 1934 verdwenen Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde dat er fermionische deeltjes bestaan, die hun eigen antideeltjes zijn. Deeltjes met deze eigenschap staan bekend als Majoranadeeltjes. Majoranadeeltjes zijn een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, omdat ze alleen met elkaar reageren. Tot nu toe zijn er nog geen Majoranadeeltjes gevonden, alleen quasideeltjes met Majorana-eigenschappen. Fotonen zijn hun eigen antideeltjes en kunnen elkaar annihileren, maar dit zijn bosonen, geen fermionen.

Hoe zien anapolen er uit?
Magnetische anapolen zijn oorspronkelijk in 1958 voorgesteld door de briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Zel’dovich. In 1977 aangetoond in de atoomkernen van cesium-133 and ytterbium-174. In deze oplossing lopen de magnetische veldlijnen in een ring. De elektrische veldlijnen omcirkelen deze ring als hoepels, zie de bovenste afbeelding in het diagram. Je kan zien dat er geen enkele veldlijn ontsnapt uit deze structuur. De reden dat anapolen vrijwel onmogelijk waar te nemen zijn.

Artist impression van Majorana-anapolen.

Artist impression van Majorana-anapolen.

Anapolen enige toegestane veld rond Majoranadeeltjes
In een artikel analyseerden de natuurkundigen  Robert Scherrer en Chiu Man Ho, die voor Vanderbilt University werken, welke vormen van elektromagnetische velden rond Majoranadeeltjes zijn toegestaan volgens de kwantummechanica. [2] Naar bleek, kunnen alleen anapolen rond Majoranadeeltjes voorkomen.

Hoe sneller, hoe meer wisselwerking
Hoe sneller anapolen bewegen, hoe sterker ze wisselwerken. Bij het ontstaan van het universum zou dan veel donkere materie deze wisselwerking hebben vertoond. Nu is door de veel lagere snelheden wisselwerking zeldzaam, waardoor de donkere materie rond zou blijven kolken.

Zou dit de verklaring voor donkere materie kunnen vormen?
Deze theorie is een erg elegant stukje natuurkunde. Er hoeft geen nieuwe natuurkracht te worden verzonnen, een beroep op de oude, vertrouwde elektromagnetische kracht is voldoende. Twee netelige problemen: de net als hun bedenker al een kleine eeuw vermiste Majoranadeeltjes en een ontbrekende verklaring voor de donkere materie worden in één klap opgelost. Scherrer en Ho tonen ook overtuigend aan, dat alleen een anapool veld rond een Majorana-fermion voor kan komen. Met andere woorden: bestaat het Majorana-fermion, dan moet het een anapool veld hebben, dus vrijwel onwaarneembaar zijn.

Het enige wat ontbreekt aan deze theorie is de detectie van het Majorana-fermion. Door deze duidelijke wiskundige omschrijving is het opzetten van een goed experiment om het deeltje aan te tonen of juist uit te sluiten, wel een stuk eenvoudiger geworden.

Anapolen als onzichtbaarheidsmantel en energieopslag
Zou je in staat zijn zelf grote anapolen te maken, dan zou je hierin energie op kunnen slaan. Ook zou je structuren ‘onzichtbaar’ kunnen maken. Dit laatste is precies wat een groepje Australiërs aan de Australian National University heeft gedaan. [4] Door de ladingen hierbinnen zo te verdelen dat zich een anapool vormde, slaagden de onderzoekers er in, schijfjes silicium op nanoschaal onzichtbaar te maken. Kortom: er zou wel eens een hoorn des overvloeds aan nieuwe technologie en mogelijkheden uit dit principe kunnen vloeien. [5]

Bronnen
1. Chiu Man Ho en Robert J. Scherrer, Anapole dark matter, Phys. Rev. Letters B, 2013
2. Boudjema, F.; Hamzaoui, C.; Rahal, V.; Ren, H. C., Electromagnetic properties of generalized Majorana particles (1989), Phys. Rev. Lett. 62 (8): 852–854,doi:10.1103/PhysRevLett.62.852
3. New, simple theory may explain mysterious dark matter, Vanderbilt University News, 2013
4. Andrey E. Miroshnichenko et al., Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles. Nature Communications, 2015; 6: 8069 DOI:10.1038/ncomms9069
5. New Theory to lead to radiationless revolution, ANU Newsroom, 2015

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

3 reacties

  1. bemoeier schreef:

    Kan dat experiment ook in de ruimte gedaan worden als die deeltjes blijken te bestaan?
    En hebben we dan toch een beetje electric univers?

  2. antares schreef:

    Denk dat we zullen moeten wachten op nog meer experimenten, en mogelijk nieuwe, hypergevoelige detectoren voor onderzoek in de LHC, voordat er Majorana-fermionen gevonden kunnen worden.

    • antares schreef:

      Hmmm, ik vraag mij nu af of de aanwezige en daarna goeddeels verdwenen antimaterie, direct na het verloop van de Big Bang, niet omgezet is in Majorana-fermionen. In de LHC zijn we in staat om antimaterie te creëren, maar tegelijkertijd ook de omstandigheden die tijdens de Big Bang heersten. Aan snelheden ontbreekt het ook niet in de LHC…….

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger