Particle Dark Matter in the 1980s and 1990s

Gedurende het grootste deel van de menselijke geschiedenis geloofden we dat het universum bestond uit de dingen die we konden zien: sterren, gaswolken en de enorme lege ruimtes tussen hen in. We dachten dat de zwaartekracht die sterrenstelsels bij elkaar hield, volledig voortkwam uit deze zichtbare materie. Maar toen astronomen begonnen te meten hoe snel sterren binnen sterrenstelsels bewogen, ontstond er een vreemde discrepantie. De sterren aan de randen van sterrenstelsels bewogen net zo snel als die nabij het centrum, wat de wetten van de zwaartekracht tartte als er alleen zichtbare materie aanwezig zou zijn. Iets onzichtbaars moest extra zwaartekracht leveren om deze snel bewegende sterren ervan te weerhouden de ruimte in te vliegen. Deze onzichtbare substantie, die geen licht uitzendt of reflecteert, werd bekend als donkere materie. Tegen het einde van de 20e eeuw realiseerden wetenschappers zich dat deze donkere substantie het overgrote deel van de materie in het kosmos vormt, terwijl de sterren en planeten die wij kennen minder dan één procent beslaan. De grote vraag werd: waar is deze onzichtbare stof van gemaakt?

Een recensie geschreven door natuurkundige Michael Turner volgt de dramatische twintigjarige reis, van 1980 tot 2000, die ons begrip van het kosmos transformeerde en de studie van het zeer grote verbond met de studie van het zeer kleine. In 1980 was het idee dat het universum werd gedomineerd door onzichtbare deeltjes een marginaal concept. Destijds was de kosmologie een vakgebied met minder dan honderd actieve onderzoekers, en het standaardmodel van het universum was simpelweg de hete oerknaltheorie. De deeltjesfysica richtte zich ondertien op de binnenruimte van quarks en elektronen, met weinig aandacht voor het kosmos. Echter, over de volgende twee decennia raakten deze twee velden onlosmakelijk met elkaar verbonden. De centrale ontdekking was dat de donkere materie die het universum bij elkaar houdt, waarschijnlijk bestaat uit nieuwe, stabiele elementaire deeltjes die nog nooit eerder zijn gezien. Dit besef verschoof de focus van een universum gemaakt van atomen naar een universum gebouwd op een fundament van onzichtbare deeltjes, wat leidde tot een nieuw standaardmodel van de kosmologie dat donkere materie, donkere energie en een periode van snelle expansie genaamd inflatie omvat.

Het verhaal begint met het besef dat de zichtbare materie in het universum onvoldoende is om de zwaartekracht die we waarnemen te verklaren. In de jaren 1930 merkten astronomen zoals Fritz Zwicky op dat sterrenstelsels in clusters te snel bewogen om door de zwaartekracht van hun zichtbare sterren alleen bij elkaar gehouden te worden. Hij bedacht de term "donkere materie" om deze ontbrekende massa te beschrijven. Decennia later, in de jaren 1970 en 1980, bevestigden astronomen Vera Rubin en Kent Ford dit op galactische schaal. Door de rotatiesnelheden van honderden spiraalstelsels te meten, vonden zij dat de buitenste sterren net zo snel bewogen als de binnenste, wat impliceerde dat sterrenstelsels worden omringd door massieve, onzichtbare halo's van donkere materie. Tegen 1985 accepteerde de astronomische gemeenschap officieel dat donkere materie een echt fenomeen was, maar de aard ervan bleef een mysterie.

De doorbraak kwam toen natuurkundigen begonnen de instrumenten van de deeltjesfysica toe te passen op dit kosmische puzzelstuk. In 1980 ontstond een nieuw idee dat suggereerde dat het universum werd gedomineerd door neutrino's, een type lichtgewicht deeltje dat al bekend was. Theoretici stelden voor dat deze deeltjes, die met bijna de snelheid van het licht bewegen, de halo's van donkere materie zouden kunnen vormen. Dit "neutrino-gedomineerde universum" suggereerde dat grote structuren zoals superclusters eerst ontstonden en daarna uiteenvielen in kleinere sterrenstelsels, een proces dat bekend staat als top-down formatie. Dit idee was echter van korte duur. Computersimulaties en observaties van de werkelijke verdeling van sterrenstelsels toonden aan dat het universum van onder naar boven werd gevormd, waarbij kleine klontjes samensmolten om grotere structuren te vormen. De snel bewegende neutrino's zouden deze kleine klontjes hebben gladgestreken, waardoor de vorming van de sterrenstelsels die we vandaag de dag zien, zou zijn voorkomen. Dit sloot neutrino's uit als de primaire component van donkere materie.

Na het verwerpen van het neutrino-idee verschoof de aandacht naar langzamer bewegende, zwaardere deeltjes. In 1982 hielp een belangrijke workshop aan de Universiteit van Cambridge een nieuw beeld te consolideren. Theoretici hadden onlangs voorgesteld dat het universum een periode van snelle expansie had ondergaan, genaamd inflatie, die een plat universum creëerde met een specifieke totale dichtheid. Aangezien zichtbare materie en normale atomen slechts een klein deel van deze vereiste dichtheid konden beslaan, moest de rest iets anders zijn. Dit leidde tot de opkomst van "koude donkere materie", een theorie die suggereert dat de onzichtbare massa bestaat uit langzaam bewegende deeltjes die ervoor zorgen dat kleine structuren eerst kunnen ontstaan. Twee leidende kandidaten kwamen voort uit de wereld van de deeltjesfysica: het axion en het neutralino. Het axion werd voorgesteld om een specifiek probleem in de theorie van sterke kernkrachten op te lossen, terwijl het neutralino een voorspeld deeltje was uit een theorie genaamd supersymmetrie, die suggereert dat elk bekend deeltje een zwaardere partner heeft. Beide deeltjes zouden zwaar, traag bewegend en stabiel zijn, wat hen perfecte kandidaten maakt voor de koude donkere materie die nodig is om het universum op te bouwen.

Tegen het midden van de jaren 1980 begon de wetenschappelijke gemeenschap deze deeltelkandidaten serieus te nemen. Theoretici realiseerden zich dat als deze deeltjes bestonden, ze detecteerbaar zouden moeten zijn. Ze stelden drie belangrijke manieren voor om ze te vinden: door te zoeken naar de deeltjes zelf terwijl ze door detectoren op aarde passeren, door te zoeken naar de straling die wordt geproduceerd wanneer deze deeltjes in de ruimte botsen en annihileren, of door ze te creëren in deeltjesversnellers. Dit tijdperk zag de geboorte van een nieuw veld dat gewijd was aan de jacht op donkere materie, met experimenten ontworpen om de zwakke signalen te detecteren die deze onzichtbare deeltjes mogelijk achterlaten. De term "WIMP", staande voor Weakly Interacting Massive Particle, werd geïntroduceerd om deeltjes zoals het neutralino te beschrijven die alleen via zwaartekracht en de zwakke kernkracht met normale materie interageren. De samenloop van omstandigheden dat deze deeltjes van nature in de juiste hoeveelheid zouden bestaan om de donkere materie te verklaren, was zo overtuigend dat het een centraal onderdeel werd van het nieuwe kosmologische model.

Het laatste puzzelstuk viel op zijn plaats in de late jaren 1990. Hoewel het bewijs voor donkere materie sterk was, bleef de totale dichtheid van het universum een mysterie. Metingen van de kosmische achtergrondstraling, de nagloeiing van de oerknal, en de verdeling van sterrenstelsels suggereerden dat het universum plat is, wat betekent dat de totale dichtheid overeenkomt met een kritieke waarde. Echter, de materie die we konden verklaren, inclusief zowel normale atomen als de voorgestelde donkere materie, telde slechts ongeveer dertig procent van deze kritieke waarde op. Lange tijd was dit een groot probleem. Toen ontdekten astronomen in 1998, bij het bestuderen van verre exploderende sterren, dat de expansie van het universum niet afremt zoals verwacht, maar juist versnelt. Deze versnelling impliceerde het bestaan van een mysterieuze afstotende kracht, nu donkere energie genoemd, die de resterende zeventig procent van het universum vormt.

Tegen het jaar 2000 was een compleet beeld ontstaan. Het universum bestaat uit ongeveer vijf procent normale materie, vijfentwintig procent koude donkere materie en zeventig procent donkere energie. Dit model, bekend als Lambda-CDM, werd de nieuwe standaard. Het verklaarde succesvol de vorming van sterrenstelsels, de kosmische achtergrondstraling en de versnellende expansie van het universum. De reis van 1980 tot 2000 transformeerde de kosmologie van een veld waar metingen vaak onzeker waren met factoren van twee, naar een precisiewetenschap waarin de eigenschappen van het universum bekend zijn tot op enkele procenten. Het werk van dit tijdperk vestigde de basis dat het universum niet slechts een verzameling sterren is, maar een complexe structuur die bij elkaar wordt gehouden en wordt gedreven door onzichtbare krachten en deeltjes die we pas net beginnen te begrijpen. Vandaag de dag gaat de zoektocht door om de specifieke aard van deze donkere deeltjes te identificeren, maar het kader dat zij hielpen opbouwen, blijft het fundament van ons moderne begrip van het kosmos.