Lost extra dimensie het donkerematerie-probleem op?

KIJK-redactie

2021-08-30 15:00:00

vijfde dimensie

Wetenschappers blijven worstelen met het donkerematerieprobleem. Enkele theoretisch natuurkundigen denken de kwestie met een vijfde dimensie op te kunnen lossen.

Natuur- en sterrenkundigen blijven maar worstelen met het donkerematerieprobleem: het gegeven dat zo’n 85 procent van het heelal bestaat uit een vorm van materie die we niet kunnen zien, maar die met zijn zwaartekracht wel zijn omgeving beïnvloedt. Theoretische fysici hebben allerlei ideeën geopperd over de deeltjes waar deze mysterieuze vorm van materie uit zou kunnen bestaan – maar tot nu toe hebben hun experimentele collega’s geen van die deeltjes overtuigend met een experiment waar kunnen nemen. En dus blijven we in het duister tasten.

In een nieuw wetenschappelijk artikel geven de Amerikaanse theoretisch natuurkundigen Ian Chaffey en Philip Tanedo, samen met hun in Brazilië werkzame collega Sylvain Fichet, het probleem een nieuwe draai. Eentje waar een hogere dimensie en een hele sloot aan nieuwe deeltjes en krachten mee gemoeid zijn. Kan zo’n boude ingreep het donkerematerieonderzoek vlottrekken?

Lees ook:

Oneindig veel deeltjes

Het aspect van donkere materie waar Chaffey en zijn collega’s zich vooral op richten, is het zogenoemde core-cusp-probleem. Dat houdt het volgende in. Op basis van onze huidige theorieën zou je verwachten dat de hoeveelheid donkeremateriedeeltjes richting het centrum van een sterrenstelsel steeds hoger wordt. In het midden zou een grafiek die de donkeremateriedichtheid weergeeft dan een scherpe piek of cusp moeten vertonen. Daar lijkt het universum zich alleen niets van aan te trekken. In werkelijkheid is die grafiek veel glooiender: dwergsterrenstelsels hebben geen cusp, maar een gewone kern, een core.

Een alweer wat oudere manier om dat probleem aan te pakken, is door de donkeremateriedeeltjes, die zich notoir weinig van gewone materie aantrekken, wel op elkáár in te laten werken. Zulke self-interacting (‘met zichzelf wisselwerkende’) donkere materie kan die piek namelijk laten verdwijnen; die wordt dan uitgesmeerd tot een core. Helaas ben je er dan nog niet, want zulke self-interacting donkere materie lijkt vervolgens weer moeilijk te rijmen met andere observaties.

Nu beïnvloeden deeltjes elkaar in de regel door deeltjes van een ander type uit te wisselen. Twee deeltjes met een gelijke elektrische lading stoten elkaar bijvoorbeeld af doordat ze fotonen ‘overgooien’, de massaloze deeltjes waar ook licht uit bestaat. Bij self-interacting donkere materie heb je ook zo’n ‘overgooideeltje’ of, zoals deeltjesfysici zouden zeggen, een boson. De eigenschappen van dat nieuwe boson bepalen dan hoe die donkeremateriedeeltjes elkaar beïnvloeden. Wat er nu in het idee van Chaffey en zijn collega’s gebeurt, is dat donkeremateriedeeltjes niet één type boson kunnen overgooien, maar oneindig veel verschillende. En dat biedt een boel mogelijkheden.

Meer knoppen

Waar haal je al die verschillende bosonen dan vandaan? Uit een hogere dimensie! Oké, dat klinkt misschien iets te zweverig. Waar het om gaat, is dat natuurkundigen over een trucje beschikken. Kort door de bocht houdt dat in dat je de keus hebt iets uit te rekenen in ons vertrouwde vierdimensionale heelal (met lengte, breedte, hoogte en tijd), of in een heelal met een dimensie meer. Soms is het ene handiger, soms het andere. In dit specifieke geval geldt dan wel dat als je in dat vijfdimensionale heelal een nieuw boson introduceert, dat in ons vierdimensionale heelal leidt tot een hele rits aan bosonen, met allemaal verschillende massa’s. En elk van die bosonen kun je dan zien als de boodschapper van een eigen kracht tussen donkeremateriedeeltjes.

Wat je hebt aan zo’n hele waaier aan krachten? Die geeft je in feite veel meer knoppen om aan te draaien dan wanneer er maar één kracht is, legt Chaffey uit. “En die knoppen kun je dan precies zo instellen dat jouw donkeremateriemodel aan alle waarnemingen voldoet.” Oftewel: misschien is het zo mogelijk om een vorm van donkere materie te bedenken die zowel het core-cusp-probleem oplost als strookt met wat we weten van de rest van het heelal.

Theoretisch natuurkundige Djuna Lize Croon van de Universiteit van Durham, niet betrokken bij het onderzoek, merkt wel op dat niet iedereen het erover eens is dat het core-cusp-probleem écht een probleem is. “Het hangt ervan af welke simulatie voor donkere materie je gebruikt, en wat voor aannames er in zo’n simulatie zijn gedaan over hoe deeltjes zich op grote schaal in sterrenstelsels gedragen.”

Vijfdimensionale ruimte

Een ander punt is: schiet je niet nogal met een kanon op een mug als je een complete extra dimensie aan het heelal toevoegt, puur om je donkere materie beter te laten aansluiten op je waarneming? Niet per se. Ten eerste hoeft die extra dimensie niet echt te bestaan. Hij kan ook puur en alleen een wiskundig hulpmiddel zijn om iets uit te kunnen rekenen dat in vier dimensies te moeilijk is, zegt zowel Chaffey als Croon.

vijfde dimensie
Volgens onze huidige ideeën over donkere materie zou de dichtheid van donkeremateriedeeltjes steeds hoger moeten worden naarmate je dichter bij het centrum van een sterrenstelsel komt. In werkelijkheid vlakt die dichtheid af. © ESA/NASA/HUBBLE

Maar om totaal andere problemen rond het heelal op te lossen, zijn er in het verleden wel degelijk theorieën bedacht waarbij ons vierdimensionale heelal rondzweeft in een vijfdimensionale ruimte, voegt Chaffey daaraan toe.

En ach, zou je kunnen zeggen, als je dan toch al zo’n extra dimensie hebt, kun je hem net zo goed gebruiken om in één moeite door het donkerematerieprobleem aan te pakken.

Deze Far Out staat ook in KIJK 9/2021, hier te bestellen.

Bron: Journal of High Energy Physics

Tekst: Jean-Paul Keulen

Beeld: BAAC3NES/Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 



Podcast KIJK en luister via JUKE







Meer Artikelen

Nieuwste editie

Met onder andere: Militair maatwerk - Bibberend of zwetend naar de top - De kracht van de kudde