Infrared Lines from Sterile-Neutrino Transition Magnetic Moments at JWST

Al decennia lang weten astronomen dat het universum gevuld is met veel meer materie dan we kunnen zien. Deze onzichtbare substantie, bekend als donkere materie, houdt sterrenstelsels bij elkaar en vormt het kosmische web, maar weigert haar ware aard te onthullen. Terwijl veel theorieën suggereren dat donkere materie perfect stabiel is en nooit verandert, stellen anderen voor dat het langzaam zou kunnen vervagen, waarbij het over miljarden jaren transformeert in gewone deeltjes. Als dit langzame verval plaatsvindt, zou het een zwak, specifiek signaal kunnen achterlaten: één kleur licht, als een klein, onzichtbaar baken, uitgezonden terwijl de donkere materie uiteenvalt. Het vinden van dit licht zou een monumentale ontdekking zijn, die een directe blik biedt op de deeltjesfysica die het onzichtbare universum beheerst.

Een team onderzoekers heeft nu de krachtigste infraroodtelescoop ooit gebouwd op de donkere hemel gericht om op zoek te gaan naar deze zwakke signalen. Met behulp van de James Webb Space Telescope zochten ze naar een zeer specifiek type licht dat geproduceerd zou kunnen worden door een hypothetische vorm van donkere materie die een steriele neutrino wordt genoemd. In tegenstelling tot de neutrino's die wij kennen, die met andere deeltjes interageren, zijn steriele neutrino's spookachtig en raken ze bijna niets anders aan. De onderzoekers richtten zich op een scenario waarin een zwaardere steriele neutrino vervalt naar een lichtere, waarbij een foton, of lichtdeeltje, vrijkomt tijdens het proces. De unieke wending in deze theorie is dat de energie van het vrijgekomen licht niet afhangt van het totale gewicht van de donkere materie, maar van het kleine verschil in gewicht tussen de zware en lichte versies. Dit betekent dat zelfs als de deeltjes donkere materie relatief zwaar zijn, het licht dat ze uitzenden een zeer lage energie kan hebben, waardoor het in het infrarode deel van het spectrum terechtkomt waar de telescoop uitblinkt.

Het team analyseerde gegevens van een stuk lege hemel nabij een ver sterrenstelsel, een regio die is gekozen omdat deze vrij is van het stof en de heldere sterren die ons zicht op het kosmos gewoonlijk verstoren. Ze zochten naar een scherpe, smalle piek in het infrarode licht die zou opvallen tegen de gladde, natuurlijke gloed van de achtergrond van het universum. Door de achtergrond zorgvuldig te modelleren en te zoeken naar een onverwachte overmaat aan licht, probeerden ze vast te stellen of een dergelijk signaal bestaat. Ze hebben geen bevestigde detectie van dit verval gevonden. In plaats daarvan heeft hun werk de strengste limieten tot nu toe vastgesteld voor hoe vaak dit proces zou kunnen plaatsvinden. Ze berekenden dat als deze steriele neutrino's alle donkere materie in ons sterrenstelsel vormen, de snelheid waarmee ze vervallen ongelooflijk traag moet zijn, en de sterkte van de magnetische interactie die hen toestaat te vervallen, zwakker moet zijn dan een specifieke, minuscule drempelwaarde.

Naast het testen van de steriele neutrino-idee, controleerden de onderzoekers ook voor een ander soort kandidaat voor donkere materie, bekend als een Majoron, die zou vervallen door te splitsen in twee fotonen. Deze zoektocht diende als een vergelijking om aan te tonen dat hun methoden werkten voor verschillende soorten onzichtbare deeltjes. Opnieuw werd er geen signaal gevonden, maar het team was erin geslaagd een breed scala aan mogelijkheden uit te sluiten voor hoe sterk deze deeltjes met licht zouden kunnen interageren. De resultaten laten zien dat de James Webb Space Telescope een krachtig nieuw instrument is voor de jacht op donkere materie, in staat om een gebied van de fysica te verkennen dat röntgentelescopen en laboratoriumexperimenten niet kunnen bereiken. Door op zoek te gaan naar deze zwakke infrarode lijnen, laat de studie zien dat we nu ideeën over het onzichtbare universum kunnen testen met een precisie die voorheen onmogelijk was, waardoor het pad naar het begrijpen van wat donkere materie werkelijk is, wordt vernauwd.