Plasma in het vroege heelal blokkeerde mogelijk hitte van donkere fotonen

Een onzichtbare stempel in het vroege heelal

Donkere materie is een van de grootste raadsels in de natuurkunde. Ze is onzichtbaar, maar haar zwaartekracht houdt sterrenstelsels bij elkaar. Een van de kandidaten voor deze mysterieuze materie is de 'donkere foton', een hypothetisch deeltje dat sterk lijkt op het gewone lichtdeeltje, de foton, maar nauwelijks met normale materie reageert. Natuurkundigen namen jarenlang aan dat donkere fotonen zich vlak na de oerknal zouden hebben verraden. In het gloeiend hete plasma dat het jonge heelal vulde, zouden ze zijn omgezet in gewoon licht en daarbij het plasma extra hebben opgewarmd. Meetgegevens over de temperatuur van dat vroege heelal leken vervolgens grote delen van de mogelijke eigenschappen van donkere fotonen uit te sluiten.

Een nieuwe studie in het vakblad Physical Review Letters zet daar nu grote vraagtekens bij. Onderzoekers Junwu Huang en Mohamad Shalaby van het Perimeter Institute in Canada onderzochten samen met Anson Hook van de University of Maryland wat er echt gebeurt wanneer donkere fotonen in plasma terechtkomen. Hun conclusie: de veronderstelde opwarming heeft waarschijnlijk nooit plaatsgevonden.

Waarom het oude rekenmodel niet klopte

Tot nu toe rekenden natuurkundigen de omzetting van donkere fotonen naar gewoon licht op een simpele, lineaire manier door: hoe meer donkere fotonen, hoe meer energie er geleidelijk in het plasma zou stromen. Dat model bestaat al zo'n vijftien jaar. Huang merkte echter op dat de hoeveelheid energie die daarbij zou vrijkomen onwaarschijnlijk groot was. Samen met Hook dook hij daarom terug in oude studieboeken over plasmafysica, wat hen bij Shalaby bracht, een postdoctoraal onderzoeker gespecialiseerd in plasmasimulaties.

Shalaby's computersimulaties lieten iets onverwachts zien. Zodra energie van donkere fotonen het plasma instroomt, wordt het systeem sterk instabiel. Er ontstaan allerlei niet-lineaire effecten, vergelijkbaar met het soort chaotische dynamiek waarbij kleine verstoringen grote, onvoorspelbare gevolgen hebben. Die instabiliteit zorgt er juist voor dat de energieoverdracht al na een piepklein beetje omzetting vanzelf stopt. Het plasma warmt dus nauwelijks op, en de donkere fotonen laten geen meetbaar spoor na.

Een enorm nieuw zoekgebied voor donkere materie

Dat heeft grote gevolgen voor het onderzoek naar donkere materie. Volgens de nieuwe analyse gold de oude, op metingen uit het vroege heelal gebaseerde uitsluiting niet voor een reeks massa's van donkere fotonen die ruim tien ordes van grootte beslaat: van ongeveer 10^-15 tot 10^-6 elektronvolt. Dat komt overeen met deeltjes die zich gedragen als radiogolven, met frequenties van kilohertz tot gigahertz. "Deze uitsluitingen zeiden dat de sterkte van donkere materie honderd miljoen keer zwakker moest zijn dan in werkelijkheid mogelijk is", zegt Hook. "Dit onderzoek opent een hoop nieuwe mogelijkheden om naar donkere materie te zoeken."

De bevinding reikt verder dan alleen donkere fotonen. Volgens de onderzoekers gebruiken natuurkundigen dezelfde simpele, lineaire rekenmethode ook om andere deeltjes te bestuderen in extreme omgevingen, zoals rond neutronensterren of witte dwergen. Die berekeningen moeten mogelijk worden herzien. "Dit is een testcase in de kosmologie", zegt Huang. "Veel astrofysische systemen zijn op dezelfde manier onderzocht, en we moeten ze allemaal opnieuw bekijken." Het onderzoek is volgens de auteurs een schoolvoorbeeld van hoe samenwerking tussen plasmafysici en deeltjesfysici tot nieuwe inzichten kan leiden - inzichten die directe gevolgen hebben voor experimenten die wereldwijd naar donkere materie zoeken.