Onderzoekers van zwaartekrachtgolven richten hun pijlen op donkere materie

Men denkt dat donkere materie ongeveer 85% van alle materie in het heelal uitmaakt, maar het is nooit rechtstreeks waargenomen en blijft een van de grootste onopgeloste mysteries in de moderne natuurkunde.

Met extreem gevoelige en uitgeteste detectoren tot hun beschikking geloven wetenschappers dat de bestaande zwaartekrachtgolftechnologie het ware potentieel heeft om eindelijk het exotische materiaal te ontdekken en zelfs te ontdekken waar het van gemaakt is.

In een studie gepubliceerd in Nature heeft een team onder leiding van wetenschappers van het Gravity Exploration Institute van Cardiff University de eerste stap gezet in de richting van dit doel door de instrumenten, ook wel laserinterferometers genoemd, te gebruiken om voor de allereerste keer naar een nieuw soort donkere materie te zoeken.

Foto afkomstig van H. Lueck, Max Planck Instituut voor Gravitatiefysica

Tot voor kort werd aangenomen dat donkere materie uit zware elementaire deeltjes bestond. Deze werden niet ontdekt ondanks een groot aantal inspanningen, en wetenschappers wenden zich nu tot alternatieve theorieën om donkere materie te verklaren.

Een recente theorie zegt dat donkere materie eigenlijk een scalair veld is, dat zich zou gedragen als onzichtbare golven die rond sterrenstelsels stuiteren, inclusief onze eigen Melkweg.

"We realiseerden ons dat onze instrumenten konden worden gebruikt om op dit nieuwe soort donkere materie te jagen, hoewel ze in eerste instantie waren ontworpen voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven", zegt professor Hartmut Grote van het Gravity Exploration Institute van Cardiff University, die het onderzoek instelde.

In een laserinterferometer worden twee lichtstralen tussen spiegels gekaatst voordat ze elkaar op een detector samenkomen. Hieruit kunnen wetenschappers met grote nauwkeurigheid meten hoe niet-synchroon de lichtbundels met elkaar zijn, wat op zijn beurt een indicatie is voor elke verstoring die de bundels ondervinden.

Het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) (*) bestaat uit twee interferometers in de VS, elk met twee 4 km lange armen in de vorm van een "L", die in 2015 voor het eerst werden gebruikt om zwaartekrachtsgolven te detecteren , en vele malen sindsdien.

De Britse/Duitse GEO 600-detector (**) in Duitsland, waar Hartmut Grote van 2009 tot 2017 hoofdwetenschapper was, is een andere zeer gevoelige interferometer en werd gebruikt om veel van de technologie te ontwikkelen die nodig is om zwaartekrachtsgolven te detecteren.

De GE0 600-detector is in dit onderzoek voor het eerst gebruikt om specifiek naar donkere materie te zoeken.

"Scalaire veldgolven van donkere materie zouden dwars door de aarde en onze instrumenten gaan, maar als ze dat doen, zouden objecten zoals spiegels heel licht gaan trillen'', zegt hoofdonderzoeker Sander Vermeulen, ook van het Gravity Exploration Institute van Cardiff University.

"Trillingen van spiegels zouden de lichtbundels in instrumenten zoals GEO 600 of de LIGO-detectoren verstoren op een bepaalde manier die kenmerkend is voor donkere materie, iets wat we zouden moeten kunnen detecteren, afhankelijk van de exacte eigenschappen van die donkere materie."

Hoewel donkere materie nooit rechtstreeks is gedetecteerd, vermoeden wetenschappers dat het bestaat vanwege het zwaartekrachteffect op objecten in het heelal. Een grote hoeveelheid onzichtbare materie kan bijvoorbeeld verklaren waarom sterrenstelsels roteren zoals ze doen, en hoe ze in de eerste plaats gevormd kunnen zijn.

Hoewel het team er in dit nieuwe onderzoek niet in slaagde om enige vorm van detectie te doen, zeggen ze dat ze belangrijke eerste stappen zetten in termen van de introductie van deze technologie bij het zoeken naar donkere materie en dat ze al vooruitgang hebben geboekt met het verfijnen van bepaalde parameters voor toekomstige studies.

"Ik was verrast door hoe gevoelig een instrument kan zijn om op donkere materie te jagen, terwijl het oorspronkelijk voor een heel ander doel was gebouwd", vervolgde professor Grote.

"We hebben definitief een aantal theorieën uitgesloten die zeggen dat donkere materie bepaalde eigenschappen heeft, dus toekomstige zoekopdrachten hebben nu een beter idee waar we op moeten letten", zegt Vermeulen.

"Wij geloven dat deze nieuwe technieken het echte potentieel hebben om op een bepaald moment in de toekomst donkere materie te ontdekken."

Auteur: Jan Vyvey
Bron: Cardiff University

(*) Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO): Zie https://nl.wikipedia.org/wiki/LIGO
(**) GEO 600-detector: Zie https://nl.wikipedia.org/wiki/GEO600