Universiteit van Amsterdam
Neutrino wellicht toch oplossing voor mysterie rond donkere materie
Donkere materie in het heelal is materie die we niet zien, maar wel waarnemen doordat zij bijvoorbeeld licht van verderop gelegen sterrenstelsels afbuigt. Waaruit deze donkere materie bestaat, is echter onduidelijk. Tegen de huidige inzichten in zouden neutrino's, ongeladen deeltjes, deze materie echter kunnen verklaren. Dit blijkt uit een studie van Theo Nieuwenhuizen, onderzoeker aan het Instituut voor Theoretische Fysica van de Universiteit van Amsterdam. Zijn bevindingen zijn op 29 mei gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Europhysics Letters.
Ongeveer twintig tot vijfentwintig procent van alle materie is donker, terwijl minder dan een procent lichtgevend is. Waaruit die donkere materie echter bestaat is onbekend. Het huidige paradigma is dat van 'koude' donkere materie, zware deeltjes die al klonterden voor het oerplasma overging in waterstof en helium. Die zouden vervolgens naar de donkere materieklonten gaan, wat de huidige structuren van melkwegstelsels en clusters verklaart. Het betreffende deeltje is echter nooit gedetecteerd, ondanks vele pogingen.
De invloed van neutrino's
Nieuwenhuizen stelt dat neutrino's de ontbrekende schakel zouden kunnen zijn. Neutrino's zijn ongeladen deeltjes, bijvoorbeeld gemaakt in kernfusie-processen in de zon. Hun rol bij de 'koude' donkere materie wordt verwaarloosbaar geacht. Dit komt mede omdat de neutrinomassa nooit bekend was. Nieuwenhuizen concludeert nu dat die wel licht is, maar niet superlicht, anderhalve elektronvolt oftewel drie miljoenste van de elektronmassa. Hij verkreeg deze informatie door het bestuderen van gegevens van een cluster van melkwegstelsels, waar veel donkere materie aanwezig is, en ook veel heet gas. Nieuwenhuizen formuleerde hiertoe een nieuwe theorie, gebaseerd op de wetten van Newton en de quantummechanica, maar ook het viriaal evenwicht (toestand waarbij alle snelheden ongeveer even groot zijn). Hiermee bepaalde hij de massa van het donkere materiedeeltje en zelfs de temperatuur van het gas. De donkere materie vormt in het centrum van het cluster een quantumstructuur van enkele lichtjaren in doorsnee, de grootste die bekend is.
Nieuwenhuizen stelt vervolgens dat neutrino's, als enige deeltjes, de donkere materie kunnen verklaren.Tot enige jaren geleden dachten we dat neutrino's linkshandig (als een tol die linksom draait) zijn, en anti-neutrino's alleen rechtshandig. Die theorie leidt tot 9,5 procent donkere materie, veel meer dan van neutrino's verwacht wordt, maar minder dan de geschatte twintig tot vijfentwintig procent. Er kan dubbel zoveel donkere materie verklaard worden indien de rechtshandige neutrino's en linkshandige anti-neutrino's ook gewoon aanwezig zijn. Deze aanname vereist echter aanpassingen in het standaardmodel van elementaire deeltjes. Het lepton-getal (een aanduiding voor het aantal subatomaire, elementaire deeltjes) kan dan niet meer behouden blijven. Nieuwenhuizen stelt dat daardoor twee neutronen tegelijkertijd moeten kunnen vervallen zonder dat er neutrino's naar buiten komen. Dit leidt dan tot negentien procent 'hete' donkere materie. Overigens vereist dit dan ook een andere verklaring voor structuurvorming in het vroege heelal. Uitsluitsel over de theorie komt in 2012, wanneer de neutrinomassa gemeten wordt in Karlsruhe.
Publicatiegegevens
Th. M. Nieuwenhuizen: Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter? Europhysics Letters: (2009), gepubliceerd online op 29 mei, 2009.