Door twee atoomklokken aan boord van een ruimtesonde in de buurt van de zon te brengen, hopen natuurkundigen meer te weten te komen over het bestaan van superlichte donkere materie.

Donkere materie is een van de grote mysteries in de moderne natuurkunde. Uit de bewegingen van sterren en sterrenstelsels leiden natuurkundigen af dat er ruim vijf keer meer massa in het heelal is dan we waarnemen. Omdat deze donkere materie geen licht of andere meetbare straling uitzendt, is het ontzettend lastig waar te nemen, en natuurkundigen zoeken er al decennia lang vergeefs naar.

Een ruimtemissie met atoomklokken die wordt voorgesteld in het tijdschrift Nature Astronomy brengt daar misschien verandering in. Variaties in het tikken van deze klokken zou de aanwezigheid kunnen aantonen van superlichte donkeremateriedeeltjes, die lichter zijn dan elektronen.

Baseer wiskundeopgaven op maatschappelijke kwesties
LEES OOK

Baseer wiskundeopgaven op maatschappelijke kwesties

Wanneer wiskunde wordt gekoppeld aan vragen die voor leerlingen relevant zijn, kan dat he ...

Golfachtige deeltjes

Als donkere materie bestaat uit superlichte deeltjes, dan zullen ze zich meer gedragen als golven dan als harde knikkers. Dat voorspelt de quantummechanica. Een mogelijk theoretisch kandidaat-deeltje voor deze superlichte donkere materie is het axion, maar er zijn ook andere kandidaat-deeltjes.

Atoomklokken gebruiken de strakke regelmaat waarmee elektronen in atomen heen en weer springen tussen energieniveaus, om de tijd nauwkeurig te meten. Ze worden al toegepast, bijvoorbeeld in de satellietnavigatie: elke gps-satelliet heeft een atoomklok aan boord voor het bepalen van locaties.

Volgens theoretische voorspellingen zouden elektronen en protonen in de atoomkern subtiel anders op elkaar reageren in de nabijheid van donkerematerie-deeltjes. Dat beïnvloedt de energieniveaus, en daarmee hoe snel de atoomklok loopt. Omdat lichte donkerematerie-deeltjes zich gedragen als golven, zal deze klok-snelheid in de tijd variëren, wat gedetecteerd kan worden.

Dichtbij de zon

‘Het experiment zou zoeken naar een relatief langzaam oscillatiepatroon dat wordt bepaald door de precieze massa van de donkere materiedeeltjes’, mailt natuurkundige Joshua Eby van het Kavli onderzoeksinstituut van de Universiteit van Tokio.

Om dit te meten willen de onderzoekers atoomklokken naar de zon sturen. Donkeremateriedeeltjes in het zonnestelsel voelen de aantrekkende zwaartekracht van de zon, en zullen dus samenklonteren in een zogeheten donkere-materiehalo rond de zon.

‘Er zijn twee klokken nodig voor deze missie omdat we zoeken naar bewijs dat donkere materie het tikken van de klok versnelt of vertraagt’, zegt Eby. ‘En om te weten hoe snel je klok tikt, moet je hem vergelijken met een andere klok. Het idee is om twee klokken te vergelijken waarvan het tikken verschillend reageert op de aanwezigheid van donkere materie.’

Bestaande technologie

Als de meting slaagt, dan kan uit het verschil tussen de twee atoomklokken onder meer de massa van de donkeremateriedeeltjes afgeleid worden, schrijven de onderzoekers. Eby: ‘Een ander cool aspect van een dergelijke missie is de mogelijkheid om verschillende gebieden in de ruimte te onderzoeken en de dichtheid van de donkere materie in het zonnestelsel ter plekke te meten. Zo kun je een kaart maken van waar de donkere materie zich bevindt.’

Er zijn nog geen concrete plannen om dit experiment uit te voeren. Maar de technologie bestaat al. De Parker Solar Probe van Nasa is al naar de atmosfeer van de zon gevlogen, en atoomklokken aan boord van gps-satellieten zijn doodgewoon. ‘Een toekomstige missie, die lijkt op die van de Parker Solar Probe, maar dan met atoomklok-technologie aan boord, zou volstaan om deze zoektocht uit te voeren’, aldus Eby.