$SU(\mathcal{N})$ baryon formation in the early Universe and dark matter

In de uitgestrekte, onzichtbare architectuur van het universum bestaat een hardnekkig mysterie over de aard van donkere materie. Terwijl we sterren en sterrenstelsels kunnen zien, blijft de meerderheid van de massa van het universum verborgen; het oefent zwaartekracht uit, maar weigert licht te emitteren of te reflecteren. Decennialang hebben natuurkundigen voorgesteld dat deze ontbrekende massa bestaat uit onontdekte deeltjes, waarbij ze deze vaak voorstelden als eenvoudige, solitaire entiteiten. Echter, een ander dwingend idee suggereert dat donkere materie kan bestaan uit complexe, samengestelde structuren, vergelijkbaar met de protonen en neutronen die de atomen van ons eigen lichaam vormen. Deze hypothetische deeltjes zouden "baryonen" zijn, gevormd door een nieuw type kracht die hen samenbindt, vergelijkbaar met hoe de sterke kernkracht quarks in onze wereld bij elkaar houdt. De cruciale vraag voor kosmologen is hoe deze complexe structuren zich hadden kunnen vormen in de chaotische, hoogenergetische omgeving van het vroege universum zonder te worden vernietigd voordat ze ooit de donkere materie konden worden die we vandaag de dag observeren.

Een team onderzoekers heeft nu dit vormingsproces onderzocht voor een specifieke klasse theorieën waarbij de bindende kracht een groot aantal "kleuren" omvat, een eigenschap analoog aan de elektrische lading maar specifiek voor deze nieuwe kracht. In onze vertrouwde wereld komt de kracht die quarks bindt in drie varianten voor, waardoor ze zich in groepen van drie kunnen verenigen om stabiele deeltjes te vormen. De onderzoekers verkenden wat er zou gebeuren als deze kracht in veel meer varianten zou voorkomen—specifiek twaalf, achttien of zelfs eenentwintig. Ze zetten zich in om te simuleren op het moment dat het universum voldoende afkoelde zodat deze krachten in actie konden komen en vrij zwevende deeltjes in gebonden toestanden opsloten. Hun doel was om te bepalen of deze complexe deeltjes succesvol geassembleerd zouden kunnen worden tot stabiele, neutrale kandidaten voor donkere materie, of dat het proces geblokkeerd zou worden door de aard van de krachten zelf.

De simulatie onthulde een aanzienlijk obstakel dat optreedt wanneer het aantal krachtvarianten toeneemt. In het vroege universum, terwijl de temperatuur daalde, begonnen vrije deeltjes samen te klonteren. De onderzoekers ontdekten dat hoewel deeltjes gemakkelijk paren konden vormen om eenvoudige, tweedeeltjesstructuren bekend als meson te vormen, de weg naar het bouwen van de grotere, multi-deeltjes baryonen ernstig werd gehinderd. Deze blokkade treedt op omdat de kracht die een enkel deeltje in een groeiende cluster trekt, veel zwakker is dan de kracht die een deeltje en een antideeltje samenbrengt om een meson te vormen. Als gevolg hiervan worden de bouwstenen voor de grote baryonen snel geconsumeerd door de vorming van meson. De onderzoekers beschrijven dit als een "bottleneck": de assemblagelijn voor de complexe donkere materie-deeltjes raakt verstopt omdat de ingrediënten worden afgeleid naar eenvoudigere, concurrerende structuren voordat de grotere constructie voltooid kan worden.

Dit effect wordt dramatisch sterker naarm van het aantal krachtvarianten toeneemt. In het geval van twaalf varianten berekenden de onderzoekers dat het aantal succesvol gevormde baryonen wordt onderdrukt tot een minuscuul fractie van wat men zou verwachten in een eenvoudiger systeem. Voor achttien varianten is de onderdrukking nog extremer, waarbij de opbrengst wordt verminderd met een factor tien tot de macht 23. Dit betekent dat voor deze grotere systemen het universum bijna geen stabiele baryonen produceert. De weinige die wel worden gevormd, zijn zo zeldzaam dat elk individueel deeltje, om de totale hoeveelheid donkere materie die we vandaag de dag observeren te verklaren, ongelooflijk massief zou moeten zijn. Sterker nog, voor de grootste aantallen varianten die bestudeerd zijn, zou de vereiste massa de theoretische limieten overschrijden die door de wetten van de kwantummechanica worden gesteld, wat suggereert dat dergelijke zware deeltjes simpelweg niet kunnen bestaan op de manier waarop het model hen beschrijft.

Om hun model realistisch te maken, zorgden de onderzoekers er ook voor dat de deeltjes konden interageren met de bekende krachten van de natuur op een manier die ervoor zorgt dat onstabiele deeltjes veilig kunnen vervallen. Ze construeerden een scenario met drie soorten deeltjes, vergelijkbaar met de up-, down- en strange-quarks in onze eigen wereld, wat de existentie van een neutrale, stabiele baryon mogelijk maakt die als donkere materie kan dienen. In deze opstelling zouden alle onstabiele of geladen versies van deze deeltjes vervallen in ongevaarlijke straling lang voor de vorming van de eerste sterren, zodat ze niet interfereren met de bekende geschiedenis van het universum. De studie bevestigt dat hoewel een neutraal, stabiel donkere materie-deeltje theoretisch mogelijk is in deze modellen, het mechanisme dat het creëert zo inefficiënt is voor grote aantallen krachtvarianten dat de resulterende deeltjes veel te zwaar zouden zijn om levensvatbare kandidaten te zijn voor de donkere materie die ons kosmos vult.

De implicaties van dit werk zijn diepgaand voor theorieën die steunen op complexe, samengestelde donkere materie. Het suggereert dat als donkere materie inderdaad bestaat uit dergelijke structuren, de onderliggende kracht niet te veel varianten kan hebben, anders zou het universum simpelweg niet genoeg van hen zou produceren. Voor modellen met een gematigd aantal varianten, zoals twaalf, zou een stabiele kandidaat voor donkere materie kunnen bestaan, maar deze zou extreem zwaar moeten zijn, met een gewicht van ongeveer honderdduizend keer de massa van een proton. Dit stelt strikte beperkingen aan hoe deze theorieën gebouwd en getest kunnen worden. De onderzoekers concluderen dat hoewel het idee van samengestelde donkere materie een fascinerende mogelijkheid blijft, het specifieke mechanisme van de vorming ervan fungeert als een krachtig filter, waardoor de meest complexe versies van de theorie worden uitgesloten en een veel nauwer pad voor toekomstig onderzoek wordt aangewezen.