Ongeveer 80% van de materie in het universum is een onontdekte substantie die 'donkere materie' wordt genoemd. Hoewel het bestaan ​​ervan al zo'n 90 jaar wordt getheoretiseerd, gebruiken wetenschappers van de JEDI-samenwerking geavanceerde deeltjesversnellertechnologie om nieuwe manieren te ontwikkelen om het te detecteren, hoewel sluitend bewijs ongrijpbaar blijft.

Ongeveer 80% van de materie in het universum is een onontdekte substantie die 'donkere materie' wordt genoemd. Hoewel het bestaan ​​van donkere materie al zo'n negentig jaar wordt getheoretiseerd, ontwikkelen wetenschappers van de JEDI-samenwerking, met behulp van geavanceerde deeltjesversnellertechnologie, nieuwe manieren om deze te detecteren, hoewel sluitend bewijs ongrijpbaar blijft.

‘Dit is de enige manier om de snelheidsverdeling van zichtbare materie binnen sterrenstelsels in overeenstemming te brengen met de huidige kennis dat een voorheen niet waargenomen vorm van ‘donkere’ materie het sterrenstelsel bovendien moet stabiliseren’, legt Jörg Pretz, een van de co-auteurs van het onderzoek, uit. Hij is tevens adjunct-directeur van het Instituut voor Kernfysica van het Urich Research Center en professor aan de RWTH Universiteit van Aken.

Natuurkundigen zijn al sinds de jaren dertig op zoek naar deze stof. Er is geen tekort aan theorieën in de wetenschappelijke gemeenschap, maar niemand heeft tot nu toe met succes donkere materie ontdekt. Dr. Volker Hejny zei: "Dit komt omdat de aard van donkere materie nog steeds volkomen onduidelijk is."

Dr. Heini is ook van het Jülich Instituut voor Kernfysica en is, net als zijn collega Jörg Pretz, lid van de internationale JEDI-samenwerking die het experiment heeft uitgevoerd. JEDI is de afkorting van Jülich Electric Dipolemoment Investigations. De wetenschappers die bij de samenwerking betrokken zijn, werken sinds 2011 aan het meten van het elektrische dipoolmoment van geladen deeltjes.

‘Donkere materie is onzichtbaar en heeft zich tot nu toe alleen indirect gemanifesteerd door zijn zwaartekracht. De invloed ervan is relatief klein, en daarom wordt donkere materie alleen in extreem massieve gevallen – zoals hele sterrenstelsels – daadwerkelijk zichtbaar.’

Theoretische natuurkundigen hebben een aantal hypothetische elementaire deeltjes voorgesteld waaruit donkere materie zou kunnen bestaan. Afhankelijk van de eigenschappen van deze deeltjes kunnen verschillende methoden worden gebruikt om ze te detecteren; methoden die geen zeer geavanceerde detectie van zwaartekrachteffecten vereisen. Deze methoden omvatten axionen en axionachtige deeltjes.

Bij hun experimenten maakten de JEDI-wetenschappers gebruik van een bijzonder kenmerk van de Jülich-deeltjesversneller COSY: het gebruik van gepolariseerde bundels. Fotocredit: Forschungszentrum Jülich/Ralf-Uwe Limbach

"Axions zijn oorspronkelijk ontwikkeld om een ​​probleem op te lossen in de sterke interactietheorie van de kwantumchromodynamica", legt Pretz uit. “De naam axion dateert van Nobelprijswinnaar Frank Wilczek en verwijst naar een merk wasmiddel: het deeltje bestaat om de natuurkundetheorie als het ware ‘op te schonen’.”

Om axions te detecteren, maakten wetenschappers van de JEDI-samenwerking gebruik van de spin van het deeltje. "Spin is een unieke eigenschap van de kwantummechanica die ervoor zorgt dat deeltjes zich gedragen als kleine staafmagneten", legt Hejny uit. "Magnetic resonance imaging (MRI) bij medische beeldvorming maakt bijvoorbeeld gebruik van deze eigenschap. Als onderdeel van dit proces wordt de spin van atoomkernen opgewonden door sterke externe magnetische velden."

Magnetische resonantiebeeldvorming is ook gebruikt om naar donkere materie te zoeken. In een gewone MRI zijn atomen in rust, terwijl in een versneller deeltjes met bijna de snelheid van het licht bewegen. Dit maakt inspecties op bepaalde gebieden gevoeliger en metingen nauwkeuriger.

Bij hun experimenten maakten de JEDI-wetenschappers gebruik van een speciaal kenmerk van de Jülich-deeltjesversneller COSY, namelijk het gebruik van gepolariseerde bundels. "In een conventionele deeltjesbundel is de spinrichting van de deeltjes willekeurig", zei Pretz. "In een gepolariseerde deeltjesbundel zijn de spins in één richting uitgelijnd." Slechts enkele versnellers ter wereld beschikken over deze mogelijkheid. "

Als er, zoals wetenschappers vermoeden, een achtergrondveld van axionen om ons heen bestaat, zal dit de beweging van de spins beïnvloeden - en dus uiteindelijk in experimenten kunnen worden gedetecteerd. De verwachte impact is echter minimaal. De metingen zijn niet nauwkeurig genoeg. Maar hoewel het JEDI-experiment nog geen bewijs heeft gevonden voor donkere materiedeeltjes, zijn onderzoekers erin geslaagd de mogelijke interactie-effecten verder te beperken. Misschien nog belangrijker was dat ze een nieuwe en veelbelovende aanpak konden ontwikkelen in de zoektocht naar donkere materie.