De zoektocht naar donkere materie heeft nog niets opgeleverd. Daarom stellen twee Amerikaanse theoretici een nieuwe donkere-materiekandidaat voor: donkere monopolen. Ze stellen ook een methode voor om deze deeltjes te vinden.

De meeste donkere-materiedetectoren zoeken naar zogeheten WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles). Tot nu toe zijn die deeltjes niet gevonden. Voor sommige fysici is dat reden om op zoek te gaan naar andere verklaringen voor donkere materie, bijvoorbeeld door de zwaartekrachtwetten te herschrijven. Anderen stellen nieuwe deeltjeskandidaten voor.

De lancering van een tijdmachine
LEES OOK
De lancering van een tijdmachine

Donker elektromagnetisme

De donkere monopolen die de Amerikaanse theoretici beschrijven, passen binnen een theorie die ‘donker elektromagnetisme’ heet. Donker elektromagnetisme moet voor donkere materie dezelfde rol spelen als die elektromagnetisme voor ‘gewone’ materie speelt. Er zijn dan bijvoorbeeld ‘donkere fotonen’ die interacties hebben met donkere materie, net zoals fotonen dat hebben met gewone materie.

Donkere monopolen zijn volgens dit model de donkere variant van ‘gewone’ magnetische monopolen. De magneten die wij kennen, hebben allemaal een noord- en een zuidpool. Monopolen zijn deeltjes die zich gedragen alsof ze een losse noord- óf zuidpool zijn. Het bestaan van gewone monopolen wordt door verschillen theorieën voorspelt, maar ze zijn nog nooit waargenomen.

Donkere monopolen zijn dus de hypothetische donkere tegenhangers van hypothetische gewone deeltjes. Dat klinkt complex, maar volgens de onderzoekers is donkere materie ook complex. Anders hadden we het inmiddels wel gevonden.

Meting van een kristal waarbij delen zich gedragen als monopolen (de donkerrode cirkeltjes). Bron: National Institute of Standards and Technology

Veranderende elektronen

De wetenschappers stellen een methode voor om de donkere monopolen te vinden. Dat kan gelukkig met behulp van ‘gewone’ deeltjes. Het donkere magnetische veld van de donkere monopolen is namelijk in staat om gewone elektronen een beetje te beïnvloeden, schrijven de onderzoekers.

Omdat elektronen quantummechanische deeltjes zijn, kunnen ze op twee plekken tegelijkertijd zijn. Dat betekent dat ze tegelijkertijd links- en rechtsom om een donker monopool kunnen bewegen. Als het elektron rechtsom beweegt, beïnvloedt de monopool het deeltje op een andere manier dan wanneer het linksom gaat. Hierdoor raakt het elektron uit fase met zichzelf. Dat betekent dat zijn golffunctie, die wat zegt over de positie waar je het elektron kunt vinden, een klein beetje verandert. Die verandering is te zien wanneer je het deeltje meet.

Elektronenbundels die nodig zijn voor deze detectiemethode bestaan al. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt voor elektronenmicroscopen. Het effect dat de hypothetische, donkere monopolen hebben op elektronen is volgens de theoretici heel klein. Maar met voldoende gevoelige detectoren zou het meetbaar moeten zijn, schrijven ze.

WIMP-varianten

Moeten we nu de meer gebruikelijke WIMP-detectoren uitzetten en massaal op zoek gaan naar donkere monopolen? Dat is wat voorbarig, menen WIMP-onderzoekers. De meeste versies van WIMPs lijken inmiddels uitgesloten. ‘Maar ik zou zeggen dat het boek nog niet helemaal dicht is’, zegt natuurkundige Tristan du Pree van onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. Hij was niet betrokken bij dit onderzoek. ‘Misschien blijken WIMPs iets zwaarder of iets lichter dan we verwachten. Of misschien heeft het andere eigenschappen die verschillen van waar we naar zoeken.’

‘Er zijn inderdaad enkele overgebleven WIMP-varianten’, reageren de auteurs John Terning en Christopher Verhaaren van de University of California. ‘Maar er is een algemeen gevoel dat we onze zoekstrategie moeten diversifiëren en op zoek moeten gaan naar andere soorten donkere materie.’

De onderzoekers zijn in gesprek met experimentele fysici om daadwerkelijk op zoek te gaan naar de donkere monopolen. ‘Maar dat bevindt zich nog in de beginfase.’ Door de Nederlandse donkere-materiegroep van het Nikhef wordt daarentegen hard gewerkt aan XENONnT. Dit wordt een nog gevoeligere detector om verder te zoeken naar WIMPs. Daar geven ze de hoop dus nog niet op.