Searching for Ultralight Dark Matter with M{ö}ssbauer Resonance

Stel je voor dat het universum gevuld is met een mysterieuze, onzichtbare oceaan die het grootste deel van zijn massa vormt, maar die we niet kunnen zien, aanraken of ruiken. Wetenschappers noemen dit "donkere materie". We weten dat het er is omdat de zwaartekracht ervan werkt als een onzichtbare hand die sterrenstelsels bij elkaar houdt en licht afbuigt, maar we hebben geen idee waar het precies van gemaakt is. Een opwindend idee is dat het gemaakt zou kunnen zijn van "ultralichte" deeltjes—zo licht en golvend dat ze zich meer gedragen als een enorme, zoemende geluidsgolf dan als een klein biljartballetje. Als deze golven bestaan, zouden ze de atomen om ons heen heel voorzichtig kunnen duwen, wat zorgt voor minuscule, ritmische verschuivingen in hun energie. De grote vraag is: kunnen we een detector bouien die gevoelig genoeg is om deze microscopische duwtjes te voelen?

Om dit te beantwoorden, gebruiken natuurkundigen een truc genaamd het Mössbauer-effect. Denk aan dit effect als de ultieme "stemvork" voor atomen. Normaal gesproken, wanneer een atoom een foton (een lichtdeeltje) uitzendt, geeft het een terugslag zoals een geweer dat een kogel afvuurt, waardoor het een klein beetje energie verliest. Maar bij het Mössbauer-effect is het atoom vastgelegd in een solide kristal, zodat het hele kristal de terugslag opvangt. Dit maakt het uitgezonden foton ongelooflijk precies, als een laserstraal die nooit wankelt. Als er iets zo subtiels als een donkere materie-golf langskomt, kan dit de energie van het atoom lichtjes veranderen, waardoor deze perfecte stemvork uit de toon raakt. Door te meten hoeveel de "stemming" verschuift, hopen wetenschappers een glimp op te vangen van de onzichtbare donkere materie-oceaan.

Dit artikel, getiteld "Searching for Ultralight Dark Matter with Mössbauer Resonance," stelt een slimme nieuwe manier voor om naar deze kosmische fluisteringen te luisteren. De auteurs, een team onderzoekers uit China, suggereren het opzetten van een stationair experiment waarbij een bron van deze uiterst precieze fotonen onderaan zit en een detector bovenaan, gescheiden door een vaste afstand. Ze vertrouwen op de zwaartekracht van de aarde om als liniaal te fungeren. Net zoals een bal die omhoog wordt gegooid vertraagt en energie verliest, verliest een foton dat tegen de zwaartekracht in omhoog reist ook een klein beetje energie (een fenomeen genaamd gravitationele roodverschuiving). In dit experiment zal, als donkere materie de atomen duwt, dit een mismatch veroorzaken tussen de bron en de detector. Om deze mismatch te herstellen en de fotonen weer te laten absorberen, zou de detector een microscopisch kleine afstand omhoog of omlaag moeten worden bewogen. Door deze verticale positie te scannen, hopen de onderzoekers de exacte plek te vinden waar de "duw" van de donkere materie zich verbergt.

De onderzoekers simuleerden dit experiment met twee specifieke soorten atomen: Zilver-109 ($^{109}\text{Ag}$) en Scandium-45 ($^{45}\text{Sc}$). Ze ontdekten dat Zilver-109 de superster van de groep is. Omdat de energieniveaus ervan zo ongelooflijk scherp zijn, zou het theoretisch verschuivingen van zelfs $10^{-19}$ GeV$^{-1}$ voor interacties met fotonen, $10^{-22}$ GeV$^{-1}$ voor gluonen en $10^{-21}$ GeV$^{-1}$ voor quarks kunnen detecteren. Deze getallen vertegenwoordigen hoe sterk de donkere materie met de atomen communiceert. Hoewel het team de machine nog niet daadwerkelijk heeft gebouwd en nog geen donkere materie heeft gevonden, suggereren hun computersimulaties dat als deze specifieke soorten ultralichte donkere materie bestaan, deze opstelling hen zou kunnen opsporen. Sterker nog, voor Zilver-109 is de gevoeligheid zo hoog dat het de beste huidige testen van het Equivalentieprincipe (dat controleert of zwaartekracht op alle dingen hetzelfde werkt) zou kunnen evenaren, vooral voor lichtere massa's donkere materie.

Het artikel keek ook naar Scandium-45. Hoewel het een goede kandidaat is, is het iets moeilijker te gebruiken met traditionele radioactieve bronnen omdat het niet genoeg fotonen produceert. De auteurs suggereren echter dat als we een superheldere röntgenlaser (zoals de Europese XFEL) gebruiken om de Scandium-atomen te exciteren, dit goed zou kunnen werken. De simulaties laten zien dat hoewel Zilver-109 momenteel de sterkste "oren" biedt om naar de golven van donkere materie te luisteren, de Scandium-aanpak met geavanceerde lasers een krachtig hulpmiddel voor de toekomst kan zijn, vooral als we zelfs helderdere lichtbronnen kunnen bouwen.

Uiteindelijk bewijst dit werk niet dat ultralichte donkere materie bestaat, noch sluit het het uit. In plaats daarvan tekent het een kaart van waar te zoeken. Het suggereert dat door de ongelooflijke precisie van de Mössbauer-spectroscopie te gebruiken, we een bereik van massa's van donkere materie tussen $10^{-18}$ en $10^{-8}$ eV kunnen verkennen. Als het universum inderdaad gonst van de ultralichte golven, betogen de auteurs dat een op Mössbauer gebaseerd experiment de microfoon zou kunnen zijn die gevoelig genoeg is om ze te horen, en een frisse en concurrerende manier biedt om een van de grootste mysteries van de natuurkunde op te lossen.