Atomen zwaarder dan de zon

KIJK-redactie

2021-04-22 09:00:00

quantumkennis

Je zou zeggen dat een zwart gat en een atoom niet op elkaar lijken; toch vertonen ze overeenkomsten. En met dat inzicht hopen natuurkundigen nieuwe deeltjes op het spoor te komen.

In eerste instantie lijkt het moeilijk om twee dingen te bedenken die meer van elkaar verschillen dan een zwart gat en een atoom. De lichtste zwarte gaten die we tot nu toe hebben ontdekt, zijn nog altijd een paar keer zo zwaar als onze eigen zon, en de zwaarste exemplaren hebben een tientallen miljarden keren grotere massa. Een waterstofatoom weegt een triljard keer zo weinig als een korreltje zand. Wat kan het een dan met het ander gemeen hebben?

Nou, best wel wat, zeggen natuurkundige Taishi Ikeda van de Sapienza-universiteit in Rome en collega’s. Zij zien een intrigerende overeenkomst tussen enerzijds zwarte gaten en hun omgeving, en anderzijds een atoomkern of molecuul omringd door elektronen. En daarmee hopen ze nieuwe deeltjes op het spoor te komen.

Lees ook:

Bijna griezelig

Allereerst: hoe moet je je een atoom precies voorstellen? In het midden van een atoom bevindt zich de kern: een klompje van protonen en neutronen. Op schematische plaatjes van atomen zie je daar vervolgens andere deeltjes omheen bewegen: de elektronen. Volgens dat beeld is een atoom dus een soort mini-zonnestelsel, met de atoomkern als zon en de elektronen als planeten.

Dat beeld is weliswaar helder, maar helaas ook wat te simpel. Volgens onze huidige natuurkundige kennis correspondeert met het elektron een zogenoemd veld; een soort wolk in de ruimte die per plek aangeeft hoe groot de kans is dat je daar een elektron aantreft. Dat elektron kan zich namelijk niet zomaar op elke denkbare positie bevinden; er zijn maar bepaalde banen mogelijk.

Een atoom is dus een compact object, omringd door een veld. En die omschrijving deed Ikeda en collega’s denken aan zwarte gaten. Dat zo’n gat ook een compact object is, valt niet te ontkennen.

Wat heet: alle materie waar het uit bestaat, zit op elkaar gepropt in één enkel punt, de zogeheten singulariteit. Rond zo’n zwart gat kan dan een veld zitten dat correspondeert met een deeltje. “Wiskundig gezien lijkt die combinatie van gat en veld zó op een atoom dat het bijna griezelig is”, zegt Ikeda.

Speculatief en speels

Ikeda en zijn team concentreren zich in een artikel over dit soort buitenissige ‘atomen’ op een vrij simpel type veld: een scalair veld. Dat wil zeggen: een veld waarbij aan elk punt in de ruimte één enkel getal wordt toegekend. Een voorbeeld van zo’n veld is de temperatuur in een kamer. Die kun je ook helemaal beschrijven door aan elke locatie in de kamer een getal toe te kennen: 21 graden vlak bij de verwarming, maar 19 graden bij het raam.

Stel nu dat er rond een zwart gat zo’n scalair veld zit, wat voor deeltje zou daar dan mee moeten corresponderen? Het enige scalaire deeltje dat we tot nu toe hebben ontdekt, is het beroemde higgsdeeltje. “Maar een higgsdeeltje valt binnen een fractie van een seconde uiteen tot andere deeltjes”, zegt Ikeda. “Die combinatie zou dus niet stabiel zijn.”

Zijn er dan misschien nog niet ontdekte deeltjes met een scalair veld? “Zeker”, zegt Ikeda. “Een goede kandidaat is bijvoorbeeld het axion, een deeltje dat ook het donkere-materie-probleem op kan lossen.” (Zie deze rubriek in KIJK 9/2020 voor meer hierover.) “Het is in principe mogelijk dat zulke deeltjes bestaan”, beaamt Erik Verlinde, hoogleraar theoretische natuurkunde aan de Universiteit van Amsterdam. “Dit onderzoek zou dus relevant kunnen zijn voor de zoektocht naar donkere materie.” Al slaat hij ook weer niet stijl achterover van het idee. “Het is leuk werk, maar voornamelijk speculatief en wat speels.”

atomen
Als twee samensmeltende zwarte gaten zijn omringd door een veld dat bij een nieuw deeltje hoort, kan dat te zien zijn in de zwaartekrachtsgolven die zo’n botsing veroorzaakt. © SPL/ANP

Ingewikkelde simulaties

Maar stel nu dat er inderdaad zo’n veld om een zwart gat zit. Of laten we daar even twee om elkaar heen cirkelende zwarte gaten van maken. Die zenden namelijk, in tegenstelling tot een eenzaam zwart gat, zwaartekrachtsgolven uit: trillingen in de ruimtetijd die zich met de snelheid van het licht verspreiden. Zou zo’n veld die zwaartekrachtsgolven dan kunnen veranderen op een manier die wij met aardse detectoren op kunnen merken?

“Dat is dé grote vraag”, zegt Ikeda. “Het veld laat heel karakteristieke afdrukken achter in de uitgezonden zwaartekrachtsgolven. Maar om daar de precieze details van te weten te komen, zijn lange en ingewikkelde computersimulaties nodig. Daar zijn wij en andere groepen onderzoekers op het moment hard mee bezig.” Wie weet horen we dus over een tijdje waar we naar moeten zoeken als we via deze vrij bizar klinkende omweg nieuwe deeltjes hopen te vinden.

Deze Far Out staat ook in KIJK 5/2021.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bronnen: Physical Review D, arXiv.org

Beeld: iStock/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