Waarom het Delftse Majoranadeeltje geen donkere materie is

Ik zou dit weekend eigenlijk vooral flink aan mijn boek moeten werken, maar toch even een bericht over het Majoranafermion van Leo Kouwenhoven en collega’s, dat afgelopen week zo uitgebreid werd besproken in de journaals en de praatprogramma’s.

Allereerst: echt nieuws was het Majoranaverhaal voor mij niet meer. Eerder was er namelijk al een praatje van Kouwenhoven in de VS, waar ik op 29 februari dit nieuwsbericht over publiceerde op KIJK.nl. Maar goed, nu is het dus officieel: de paper is gepeerreviewd en geplaatst in Science, wat (terecht) het startschot is gebleken voor het leeuwendeel van de media-aandacht.

En die aandacht, daar kan ik natuurlijk op zich weinig op tegen hebben. Alle interesse die bij het grote publiek wordt gewekt voor deeltjesfysica en aanpalende onderwerpen is alleen maar goed voor mijn ‘business’. Maar als je dan ziet hoe een journaal zo’n nieuwtje brengt, krijgt het toch een beetje een vies bijsmaakje. Want dan wordt het verhaal zo onhandig gebracht dat je weet dat je weer het nodige recht te zetten hebt.

Een van de dingen die mij stoorden in het RTL Nieuws-item, was het volgende fragment:

Door de ontdekking zullen we ook meer te weten komen over de mysterieuze donkere materie, waar het heelal voor een groot deel uit bestaat. Waarschijnlijk zijn dat Majoranadeeltjes.

Maar volgens mij heeft de ontdekking van Kouwenhoven en collega’s weinig tot niets te zeggen over donkere materie. Weliswaar is in beide gevallen sprake van een Majoranadeeltje, maar de in Delft gemaakte variant is niet degene die de ontbrekende massa in het heelal zou kunnen vormen. (‘Waarschijnlijk’ is sowieso wat overdreven.)

Hoe zit het? Zo’n vier vijfde van de hoeveelheid massa die het heelal hoort te bevatten, zien we niet; dit noemen we donkere materie. Voor deze vorm van materie is inmiddels een hele waslijst aan mogelijke verklaringen bedacht, waaronder de nodige deeltjes die we niet zien, maar die er toch zouden kunnen zijn. Eén zo’n donkere-materie-kandidaat is de lichtste van de vier neutralino’s (niet te verwarren met het neutrino!).

Nu is een neutralino geen deeltje dat we ooit hebben waargenomen; het is een hypothetisch deeltje dat voortkomt uit de supersymmetrietheorie. Supersymmetrie houdt in dat elk deeltje een partnerdeeltje heeft dat een stuk zwaarder moet zijn dan het corresponderende ‘gewone’ deeltje. Daarbij is bovendien van belang dat je in de natuur twee soorten deeltjes hebt: fermionen en bosonen. Fermionen zijn deeltjes als protonen en elektronen, waaruit materie is opgebouwd. Bosonen zijn deeltjes die krachten uitwisselen, zoals het foton. En volgens supersymmetrie is de superpartner van een fermion een boson, terwijl de superpartner van een boson een fermion is.

Het lichtste neutralino is zo’n supersymmetrisch deeltje, dat je kunt zien als de fermion-superpartner van het foton, dat een boson is (1). En dit deeltje is, zo leert de theorie, én ongevoelig voor de elektromagnetische kracht (omdat het elektrisch neutraal is), én voor de sterke (kern)kracht (omdat het geen ‘kleurlading’ heeft, zoals dat heet). Daarmee hebben we een deeltje dat zich niet makkelijk laat zien, maar wel bijdraagt aan de massa van het heelal. Een donkere-materie-kandidaat dus.

Probleem is dat er weliswaar een aantal aanlokkelijke theoretische redenen zijn om aan te nemen dat supersymmetrie bestaat, maar dat deeltjesversnellers tot op heden nog geen enkel supersymmetrisch deeltje hebben weten te vinden. Toegegeven, het pleit is nog niet beslecht, maar na een paar jaar LHC is het bestaan van supersymmetrie – en dus van neutralino’s – er in elk geval niet waarschijnlijker op geworden.

Wat heeft dit te maken met Majoranadeeltjes? Welnu, het neutralino is een Majoranafermion. Dat wil zeggen: het heeft, in tegenstelling tot alle tot nu toe waargenomen fermionen, geen afzonderlijk antideeltje; bij dit type deeltje zijn deeltje en antideeltje aan elkaar gelijk. Dat geldt ook voor het Marjoranafermion uit Delft, maar daar houden de overeenkomsten ook wel zo’n beetje op. Het Delftse Majoranafermion is namelijk niet alleen geen neutralino, maar überhaupt geen ‘echt’ deeltje, in die zin dat het deel uitmaakt van de natuur. Het is een zogenoemd quasideeltje; een geheel aan (op zichzelf niet-exotische) deeltjes dat zich onder bepaalde omstandigheden gedráágt alsof het een Majoranadeeltje is.

Dat men dat in Delft voor elkaar heeft weten te krijgen, is ongetwijfeld een krachttoer geweest die alle lof verdient – en daar wil ik ook zeker niets negatiefs over zeggen. Maar het gaat dus wel om een heel ander soort Majoranadeeltje dan het hierboven omschreven neutralino. Bovendien is het bestaan van het neutralino er naar mijn idee geen greintje waarschijnlijker door geworden; dat hangt af van het al dan niet bestaan van supersymmetrie, en daar zeggen de Delftse experimenten niets over.

Het is daarom ook niet terecht om smalend richting CERN te doen vanwege dit nieuws. Zo van ‘ha ha, wat jullie daar niet met die miljarden kostende LHC voor elkaar krijgen, boksen wij hier in een Nederlands lab met wat knaken van Microsoft wél voor elkaar.’ Met de LHC wordt – onder meer – gezocht naar tekenen van supersymmetrische deeltjes, waaronder het neutralino, dat tevens een Majoranadeeltje is. Wat men in Delft heeft gedaan, hoort tot een heel andere tak van sport waar, inderdaad, óók een Majoranadeeltje uit voort kan komen. Maar dat is dus geen in de natuur voorkomend, elementair deeltje, geen supersymmetrisch deeltje, en geen donkere-materie-kandidaat.

(1) Dit klopt niet helemaal; eigenlijk is het lichtste neutralino een mix van vier superdeeltjes, waarbij de échte superpartner van het foton, het fotino, met afstand het belangrijkste bestanddeel is.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *