$\mu$DM: a new mechanism for the baryon-dark matter coincidence

Het universum is opgebouwd uit twee zeer verschillende soorten materie. De ene is de stof die we kunnen zien en aanraken, de atomen waar sterren, planeten en mensen uit bestaan. De andere is donkere materie, een onzichtbare substantie die geen licht uitzendt, maar een zwaartekracht uitoefent die sterk genoeg is om sterrenstelsels bij elkaar te houden. Decennialang hebben astronomen gemeten hoeveel van beide bestaat. Het resultaat is een verwarrend toeval: er is ongeveer vijf keer meer donkere materie dan gewone materie. Deze verhouding is zo precies dat het eerder als een aanwijzing dan als een willekeurig ongeluk voelt. Als de twee soorten materie door volledig gescheiden, ongerelateerde processen zouden zijn gecreëerd, zou een dergelijke specifieke balans ongelooflijk onwaarschijnlijk zijn. Natuurkundigen zoeken al lang naar een mechanisme dat de creatie van deze twee substanties met elkaar verbindt, waarbij ze suggereren dat hun overvloed niet onafhankelijk is, maar in plaats daarvan gekoppeld is aan een diepere natuurwet.

Een nieuw voorstel van een onderzoeker aan de Tokyo Metropolitan University biedt een frisse manier om dit verband te begrijpen. Het artikel introduceert een concept genaamd "chemische potentiaal-gematchte donkere materie", of kortweg µDM. In dit model zijn de onzichtbare donkere materie en de zichtbare materie niet alleen buren in het kosmos; ze zijn verbonden door een gedeelde fysieke conditie die bestond in het vroege universum. De onderzoeker suggereert dat de hoeveelheid donkere materie die we vandaag zien, direct wordt bepaald door dezelfde fysieke factor die de hoeveelheid gewone materie heeft vastgesteld. Deze factor is een soort druk of bias, bekend in de natuurkunde als een chemische potentiaal, die werkte vlak na de oerknal. Wanneer de omstandigheden in het vroege universum juist waren, dwong deze bias de verhouding tussen donkere materie en gewone materie op natuurlijke wijze naar de waarde die we vandaag de dag waarnemen, ongeveer 5,36 op 1.

Het mechanisme steunt op een specifiek type donkere materie dat anders zich gedraagt dan de standaardtheorieën. Normaal gesproken, als een deeltje licht is en werd gecreëerd in een hete, dichte omgeving, zou het zo snel bewegen dat het de klonten materie die nodig zijn voor de vorming van sterrenstelsels zou wegwassen. Dit is het probleem met "hete" donkere materie. Dit nieuwe model stelt echter voor dat de deeltjes donkere materie op een manier werden geproduceerd waardoor ze zwaar genoeg konden zijn om structuren te vormen, maar licht genoeg om in het massabereik te passen dat door het toeval wordt gesuggereerd. Het artikel suggereert dat deze deeltjes zeer licht kunnen zijn, met massa's tussen de energie van een elektronvolt en een duizend elektronvolt. Dit is ongelooflijk licht vergeleken met een proton, maar zwaar genoeg om een levensvatbare kandidaat te zijn voor de donkere materie die de vorm van ons universum bepaalt.

Om dit werkend te krijgen, beschrijft de onderzoeker een scenario met een veld, dat als een soort onzichtbare vloeistof de ruimte vult en dat in het vroege universum roteerde. Terwijl dit veld roteerde, creëerde het een bias die de creatie van gewone materie in één richting duwde. Tegelijkertijd werden de rimpelingen of excitaties in ditzelfde roterende veld de deeltjes van de donkere materie. Omdat zowel de bias die de gewone materie creëerde als de deeltjes die de donkere materie werden, voortkwamen uit dezelfde roterende bron, zijn hun uiteindelijke hoeveelheden wiskundig aan elkaar gekoppeld. De rotatiesnelheid van dit veld bepaalt de massa van de donkere materie, en de sterkte van de bias bepaalt de hoeveelheid gewone materie. Wanneer de wiskunde wordt uitgewerkt, komt de verhouding tussen hen van nature uit op de vijf-op-één verhouding die astronomen meten.

Het artikel verkent twee belangrijke manieren waarop dit zou kunnen gebeuren. De ene omvat een hypothetisch deeltje dat lijkt op een axion, een zeer licht deeltje dat wordt voorgesteld om andere problemen in de natuurkunde op te lossen. Als deze deeltjes muren vormden in het vroege universum, had de beweging van deze muren de nodige bias kunnen creëren. Het tweede, en primaire, voorbeeld betreft een veld dat zich gedraagt als een complexe golf. Terwijl deze golf roteert, genereert het de bias die nodig is om de materie-onbalans te creëren. Het artikel laat zien dat voor dit te werken, de donkere materie een massa moet hebben in de orde van grootte van enkele elektronvolt tot enkele duizend elektronvolt. Als het universum een periode van snelle expansie onderging die de dichtheid van alles na de creatie van deze deeltjes verdunde, zou de donkere materie iets zwaarder kunnen zijn, tot de massa van een miljoen elektronvolt.

Dit idee is niet slechts een theoretische gok; het is een specifiek model dat getest kan worden. De onderzoeker wijst erop dat als deze theorie correct is, de deeltjes donkere materie licht genoeg zouden moeten zijn om gedetecteerd te worden door toekomstige experimenten. Instrumenten zoals de NIRSpec-spectrograaf van de James Webb Space Telescope, of gespecialiseerde zoektochten naar zwak interagerende deeltjes, zouden potentieel deze deeltjes of de signalen die zij achterlaten kunnen vinden. Het model suggereert ook dat het proces dat de donkere materie creëerde, sporen kan hebben nagelaten in de manier waarop het universum uitdijde of in de eigenschappen van neutrino's, de spookachtige deeltjes die door alles heen gaan. Door naar deze specifieke handtekeningen te kijken, kunnen wetenschappers bevestigen of de donkere materie en de gewone materie inderdaad tweelingen zijn, geboren uit hetzelfde roterende veld.

Het voorstel behandelt ook waarom deze donkere materie de structuur van het universum niet vernietigt. Ondanks dat de deeltjes licht zijn, legt het artikel uit dat ze op een manier geproduceerd zouden kunnen zijn die hen doet bewegen als "koude" donkere materie in plaats van "hete" donkere materie. Dit gebeurt als het productieproces wordt versterkt door een kwantumeffect dat de deeltjes concentreert in een traag bewegende staat. Alternatief kunnen ze, als het universum snel expandeerde nadat de deeltjes waren gemaakt, vertraagd zijn, waardoor ze konden samenklonteren en de sterrenstelsels konden vormen die we vandaag de dag zien. Deze flexibiliteit betekent dat het model past bij wat we weten over de vorming van kosmische structuren.

Uiteindelijk biedt dit werk een nieuw pad naar het oplossen van een van de oudste mysteries van de kosmologie. Het suggereert dat de vreemde balans tussen de zichtbare en onzichtbare delen van het universum geen toeval is, maar een noodzakelijk gevolg van een enkel fysiek proces. Door de massa van de donkere materie te koppelen aan de chemische condities die de materie in onze lichamen creëerden, biedt het model een verenigd beeld van hoe het universum tot stand is gekomen. Hoewel het idee nog een voorstel is en verdere tests vereist, laat het zien dat het antwoord op het mysterie van de donkere materie wellicht ligt in een eenvoudige, elegante verbinding tussen de twee helften van onze kosmische inventaris. De volgende stap is om te zien of het universum instemt met deze berekening door te zoeken naar de lichte, traag bewegende deeltjes die deze theorie voorspelt.