Dark Matter Particle Explorer: Ten-Year On-Orbit Performance and Scientific Outcomes

Het universum is gevuld met onzichtbare reizigers. Dit zijn kosmische stralen, hooggesnelde deeltjes die vanuit de diepe ruimte op de Aarde neerdalen. Al bijna een eeuw vragen wetenschappers zich af waar deze deeltjes vandaan komen en hoe ze een dergelijke ongelooflijke snelheid bereiken. Tegelijkertijd weten astronomen dat het grootste deel van het universum bestaat uit iets wat zij helemaal niet kunnen zien: donkere materie. Deze mysterieuze substantie zendt geen licht uit, maar de zwaartekracht ervan houdt sterrenstelsels bij elkaar. Als donkere materie bestaat uit deeltjes, kunnen deze soms botsen en verdwijnen, waarbij ze veranderen in gewone deeltjes zoals elektronen of gammastraling. Het vinden van deze specifieke signalen zou een doorbraak betekenen, die de ware aard van het donkere universum onthult. Om deze vluchtige bezoekers te vangen, hebben wetenschappers instrumenten nodig die de energie en richting van deeltjes met extreme precisie kunnen meten, ver voorbij wat grondgebonden telescopen kunnen doen.

In 2015 lanceerde China een satelliet genaamd DAMPE, wat "Wukong" betekent naar de Wandelende Aap, in een baan om de aarde om op zoek te gaan naar deze aanwijzingen. Nu heeft een team van onderzoekers een rapport gepubliceerd over de eerste tien jaar van de operatie van de satelliet, waarin wordt beschreven hoe het instrument heeft gepresteerd en wat het heeft ontdekt. De satelliet draagt een geavanceerde detector die is ontworpen om te fungeren als een gigantische, driedimensionale camera voor deeltjes. Het is gebouwd met vier lagen sensoren. De bovenste laag vangt de elektrische lading van inkomende deeltjes op. Daaronder registreert een tracker hun pad. Het hart van de machine is een dik blok kristal dat de deeltjes absorbeert en hun totale energie meet. Ten slotte kijkt een onderste laag naar neutronen, wat helpt om verschillende soorten deeltjes van elkaar te onderscheiden. Gedurende het afgelopen decennium heeft dit instrument miljarden gebeurtenissen geregistreerd, waarbij het een stabiele en nauwkeurige prestatie leverde die wetenschappers in staat stelt om de energie van kosmische stralen met ongekende detail weer te geven.

Een van de meest significante prestaties die worden gerapporteerd, is de meting van het energiespectrum van elektronen en hun antimaterie-tweelingen, positronen. Door de gegevens van de eerste jaren van de missie te analyseren, vond het team een duidelijke breuk in de stroom van deze deeltjes. Naarmate de energie van de elektronen toeneemt, neemt het aantal deeltjes op een specifieke manier af, maar rond een energieniveau van 0,9 TeV verandert dit patroon scherp. Deze "breuk" suggereert dat de bron van deze hoogenergetische elektronen niet uniform is over de melkweg. Het wijst naar een specifieische, nabijgelegen versneller, zoals een pulsar, of misschien een signaal van deeltjes van donkere materie die met elkaar interageren. De gegevens zijn nauwkeurig genoeg om een eenvoudige, vloeiende afname in aantallen uit te sluiten, wat bevestigt dat er iets complex aan de hand is in de hoogenergetische hemel.

De satelliet richtte haar aandacht ook op de zwaardere kernen die het grootste deel van de kosmische straling vormen, zoals protonen, helium, koolstof en ijzer. Lange tijd verwachtten wetenschappers dat de energiespectra van deze verschillende elementen vergelijkbaar zouden zijn, misschien slechts verschoven door hun massa. De metingen van DAMPE onthulden echter een verrassende nieuwe structuur. Wanneer de energie van deze deeltjes een bepaald punt bereikt, nemen hun aantallen sterker af dan voorheen. Cruciaal is dat deze afname plaatsvindt bij een specifieke "rigiditeit", wat een maat is voor hoe moeilijk het is om het pad van een deeltje met een magnetisch veld te buigen. Het team vond dat deze versterking van de daling plaatsvindt bij dezelfde rigiditeit voor protonen, helium, koolstof, zuurstof en ijzer, ongeacht hun massa. Dit universele gedrag suggt dat de limiet wordt bepaald door het versnellingsproces zelf of door de manier waarop deze deeltjes door de melkweg reizen, in plaats van door het specifieke type deeltje. Deze bevinding biedt een sterke aanwijzing dat de bronnen van kosmische straling een gemeenschappelijke energiegrens hebben.

In de zoektocht naar donkere materie zocht de satelliet naar een zeer specifieke handtekening: een scherpe, enkele lijn van gammastraling. Als deeltjes van donkere materie botsen en annihileren, zouden ze gammastraling met een zeer specifieke energie produceren, die verschijnt als een piek in de gegevens. De onderzoekers scanden een breed scala aan energieën van 10 tot 300 GeV, waarbij ze de hoogresolutie kristallen van de satelliet gebruikten om naar deze pieken te zoeken. Ze vonden dergelijke lijnen niet. Hoewel dit betekent dat ze geen direct bewijs hebben gevonden voor de annihilatie van donkere materie in dit energiebereik, is het resultaat nog steeds krachtig. De satelliet stelde strikte grenzen aan hoe vaak donkere materie zou kunnen annihileren, waardoor veel theoretische modellen werden uitgesloten. Omdat het instrument over een dergelijke fijne energie-resolutie beschikt, zijn de beperkingen die het oplegt concurrerend met, en in sommige gevallen sterker dan, die van andere grote ruimtetelescopen, ook al heeft het minder totale gegevens verzameld.

Naast de zoektocht naar donkere materie en de oorsprong van kosmische straling, heeft de missie ook de gedragingen van secundaire deeltjes in kaart gebracht. Wanneer primaire kosmische stralen botsen met gas in de ruimte, creëren ze lichtere elementen zoals boor. Door de verhouding van boor tot zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof te meten, kunnen wetenschappers begrijpen hoe kosmische straling door de melkweg drijft. DAMPE vond dat deze verhouding op een manier verandert die de klassieke modellen niet voorspelden, wat wijst op een verharding in het spectrum bij hoge energieën. Dit suggereert dat de manier waarop kosmische straling door de melkweg diffundeert verandert bij zeer hoge snelheden, misschien langzamer dan verwacht. Deze ontdekking voegt een nieuwe laag van complexiteit toe aan ons begrip van hoe deeltjes door het interstellaire medium bewegen.

Terwijl de satelliet blijft opereren, werkt het team al aan het uitbreiden van deze metingen naar nog hogere energieën, om de grenzen van wat we weten over de meest energetische deeltjes in het universum te verleggen. Het tienjaarverslag bevestigt dat het instrument nog steeds op zijn piek presteert en klaar is om meer gegevens te verzamelen die uiteindelijk de langlopende mysteries van kosmische straling en donkere materie kunnen oplossen. De bevindingen tot nu toe hebben geen definitief antwoord gegeven, maar ze hebben een veel duidelijker kaart van het probleem getekend, door precies aan te geven waar de anomalieën liggen en de volgende generatie experimenten te sturen.