Donkere materie: weg met de WIMP's, met de SIMP's?

Net als politieagenten die de verkeerde persoon volgen, kunnen natuurkundigen die donkere materie proberen te identificeren, het mysterieuze spul waarvan de zwaartekracht de melkwegstelsels lijkt te binden het verkeerde deeltje besluipen. Een deeltje met enkele eigenschappen die tegengesteld zijn aan die van de huidige favoriete donkere materie kandidaat van de fysicus de de zwak in wisselwerking staande massieve deeltje, of WIMP zou even goed zijn in het verklaren van de dingen, zegt een kwartet van theoretici . Hypothetische sterk op elkaar inwerkende massieve deeltjes of SIMP's zouden ook beter rekening kunnen houden met enkele astrofysische waarnemingen, beweren ze.

"We zijn al geruime tijd op zoek naar WIMP's, maar we hebben ze nog niet gevonden, dus ik denk dat het belangrijk is om buiten de kaders te denken", zegt Yonit Hochberg, een theoreticus bij Lawrence Berkeley National Laboratory en de University of California (UC), Berkeley en een auteur van het nieuwe artikel.

Theoristen bedachten 30 jaar geleden WIMP's om te helpen verklaren waarom sterrenstelsels niet zomaar uit elkaar vliegen. De deeltjes zouden een massa hebben tussen één en 1000 keer die van een proton en zouden, naast de zwaartekracht, met elkaar en met gewone materie interageren door alleen de zwakke nucleaire kracht, een van de twee natuurkrachten die zich normaal alleen in de atoomkern.

Het baby-universum zou een enorm aantal WIMP's hebben geproduceerd terwijl subatomaire deeltjes op elkaar botsten. Sommige van die WIMP's zouden dan verdwijnen wanneer twee van hen botsen en elkaar vernietigen om twee gewone deeltjes te produceren. Naarmate het universum zich uitbreidde, zouden dergelijke botsingen steeds zeldzamer worden en, gezien de sterkte van de zwakke kracht, zouden precies genoeg WIMP's overleven om vandaag de juiste hoeveelheid donkere materie te bieden vijf keer die van gewone materie. Dat toeval, of "WIMP-wonder", heeft van WIMPs een favoriet van theoretici gemaakt, zelfs als experimentanten ze nog niet moeten zien rondzweven.

Hochberg en collega's beweren echter dat donkere materie ook kan bestaan ​​uit lichtere deeltjes met een massa ergens rond een tiende die van het proton en met elkaar interageren maar niet gewone materie zeer sterk. Zulke SIMP's trekken elkaar bijna net zo sterk aan als de quarks in een proton, die zo fel aan elkaar kleven dat het onmogelijk is om een ​​quark te isoleren.

SIMP's kunnen ook precies de juiste hoeveelheid donkere materie leveren, ervan uitgaande dat de theoretici een paar rimpels toevoegen. De SIMP's moeten voornamelijk verdwijnen door botsingen waarbij drie SIMP's naar binnen gaan en slechts twee SIMP's naar buiten komen. Deze gebeurtenissen moeten vaker voorkomen dan gebeurtenissen waarbij twee SIMP's elkaar vernietigen om twee gewone deeltjes te produceren. Bovendien, aldus de theoretici, moeten SIMP's interactie hebben met gewone materie, hoewel veel zwakker dan WIMP's. Dat komt omdat de drie-tot-twee botsingen de SIMP's zouden verwarmen als ze geen interactie konden aangaan en warmte konden delen met gewone materie.

Dat lijkt misschien veel gevraagd, maar aan die voorwaarden is gemakkelijk te voldoen zolang de SIMP's niet te zwaar zijn, zegt Hochberg. Het WIMP-wonder kan dus gemakkelijk worden vervangen door een SIMP-wonder, zoals het team deze maand in Physical Review Letters rapporteert.

Bovendien garandeert het feit dat SIMP's moeten interageren met gewone materie dat ze in principe op een of andere manier detecteerbaar moeten zijn, zegt Hochberg. Terwijl natuurkundigen nu op zoek zijn naar tekenen van WIMP's die in botsing komen met massieve atoomkernen, zouden onderzoekers waarschijnlijk moeten zoeken naar SIMP's die in lichtere elektronen smakken, omdat de bantamgewichtdeeltjes niet genoeg kracht zouden geven om een ​​kern te laten vliegen.

In vergelijking met WIMPy donkere materie zou SIMPy donkere materie ook een andere gewenste eigenschap hebben. Terwijl het universum evolueerde, vloeide donkere materie samen in groepjes, of halo's, waarin de sterrenstelsels zich toen vormden. Maar computersimulaties suggereren dat donkere materie die geen interactie heeft met zichzelf ontelbare kleine klompjes zou vormen die erg dicht in het midden zijn. En kleine "dwergstelsels" zijn niet zo overvloedig en de centra van sterrenstelsels zijn niet zo dicht als de simulaties suggereren. Maar een sterke wisselwerking tussen donkere materie zou de verdeling van donkere materie gladstrijken en die problemen oplossen, zegt Hochberg. "Dit is niet iets onafhankelijks dat we zojuist in het model hebben gedwongen", zegt ze. "Het gebeurt gewoon vanzelf."

De nieuwe analyse "heeft de smaak van het WIMP-wonder, wat leuk is", zegt Jonathan Feng, een theoreticus bij UC Irvine die niet bij het werk betrokken was. Feng zegt dat hij aan vergelijkbare ideeën heeft gewerkt en dat het vermogen om de verschillen tussen simulaties van donkere materie en de waargenomen eigenschappen van sterrenstelsels met elkaar te verzoenen, een sterke wisselwerking tussen donkere materie conceptueel aantrekkelijk maakt.

Hij waarschuwt echter dat het mogelijk kan zijn dat, hoe zwak ze ook zijn, de interacties tussen donkere en gewone materie de verdeling van de donkere materie op zichzelf kunnen afvlakken. En Feng zegt dat hij enige twijfels heeft over de bewering dat SIMP's sterk genoeg moeten interageren met gewone materie om te worden ontdekt. Dus de SIMP zal WIMP waarschijnlijk niet van zijn toppositie halen als de beste gok voor het donkere materiedeeltje tot nu toe, Feng zegt: "Op dit moment is het niet zo goed gemotiveerd als de WIMP, maar het is zeker de moeite waard om te verkennen."