Gevoelig donkere materie-experiment boekt nog geen resultaat

Donkere materie laat zich maar niet pakken. Het goedje, dat in grote hoeveelheden aanwezig moet zijn in het heelal om onder andere de bewegingen van sterrenstelsels te verklaren, heeft niet of nauwelijks interactie met normale materie. Toch hopen wetenschappers het op aarde te detecteren in ultragevoelige detectoren diep onder de grond.

Twee van die deeltjesexperimenten zijn XENON1T in Italië en PandaX-II in China. Het zijn de meest gevoelige deeltjesexperimenten die speuren naar zogenoemde WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles), een mogelijke verschijningsvorm van donkere materie. Als deze WIMP’s echt bestaan dan gaan astronomen ervan uit dat het in sterrenstelsels zoals onze Melkweg wemelt van deze deeltjes, die met hun zwaartekracht de bewegingen van zichtbare materie beïnvloeden maar verder niet te zien zijn – vandaar de naam ‘donkere’ materie.

Ondanks hun gevoeligheid vonden de detectoren in de meest recente metingen geen sporen van donkere materie. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

Valstrik voor donkere materie

XENON1T en PandaX-II zijn een soort valstrik waarin donker materie-deeltjes moeten lopen. De spil is xenon, een chemische stof bestaande uit grote atomen met een relatief hoge kans een interactie aan te gaan met een deeltje van buitenaf. De twee experimenten bestaan uit een grote tank xenon, het grootste experiment XENON1T heeft 3200 kilo vloeibaar xenon aan boord. Het idee is dat een donkere materie-deeltje, dat volgens de theorie normaal gesproken ongemerkt door de aarde vliegt, met een van de xenon-atomen in de tank botst.

Een interactie veroorzaakt een lichtflits in de tank, die lichtsensoren oppikken. Bovendien ontstaan er een aantal elektronen in het vloeibare xenon, deze geladen deeltjes ‘borrelen’ langzaam naar het oppervlak en zijn daar meetbaar. Via deze licht- en de elektron-signalen kunnen onderzoekers de locatie en de energie van deeltjesbotsingen in de tank bepalen.

Wat was er tot dan toe gemeten? Na een flinke data-analyse blijkt dat er 63 noemenswaardige interacties waren. Er waren de eerder genoemde licht- en elektronsignalen, die niet konden worden toegeschreven aan het passeren van muonen. Dat zijn deeltjes die de aarde massaal bombarderen en onder andere ontstaan door interacties van kosmische straling.

De gemeten signalen konden wél afkomstig zijn van natuurlijk radioactief verval van het gesteente om de detector of de materialen van de detector zelf. Op basis van de karakteristieken van de metingen was er slechts een interactie die níet voldeed aan het profiel van radioactiviteit. Maar de eigenschappen zijn óók moeilijk te rijmen met het voorspelde gedrag van donkere materie. Al met al niet bepaald overtuigend bewijs voor donkere materie.

Zenuwachtig

Ondanks de afgebroken meting en het ontbreken van een ‘smoking gun’ voor donkere materie, is Patrick Decowski tevreden. Hij is professor Experimentele astrodeeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam en betrokken bij XENON1T. “Eigenlijk hadden we nog twee maanden langer willen meten,” zegt hij, “maar we kunnen nu al sommige eigenschappen van de donkere materiedeeltjes uitsluiten. Bijvoorbeeld bepaalde massa’s en de waarschijnlijkheid van de wisselwerking met normale materie.”

Bovendien zijn de resultaten in overeenstemming met het vergelijkbare Chinese experiment. PandaII-X was in 2016 en 2017 ruim 77 dagen operationeel en sluit dezelfde massa’s en wisselwerkingen uit. De wetenschappers zijn optimistisch: geen resultaat is óók een resultaat. “XENON1T is het hele jaar doorgegaan met nieuwe experimenten, en langer meten betekent een hogere gevoeligheid”, zegt Decowski. “We hopen die resultaten begin 2018 te publiceren.”

Wanneer gaan we eindelijk eens die donkere materie vinden? Worden de betrokken onderzoekers na al die jaren verwoede detectiepogingen niet een beetje zenuwachtig? Niet volgens Decowski. Hij zegt dat we wat betreft de eigenschappen van de deeltjes nu eindelijk de interessante gebieden verkennen. “Dit is een onderzoeksveld van de lange adem en veel geduld, de natuur geeft haar geheimen blijkbaar niet zo makkelijk prijs”, zegt hij. “Het zijn echt ongelofelijk zeldzame en zwakke interacties die we proberen te meten. Maar we kunnen nog stappen maken met meer gevoelige detectoren.”

Decowski doelt op vervolgexperimenten van XENON1T, waarvoor al voorbereidingen worden getroffen. Zo is er XENONnT die vanaf 2019 ook gaat zoeken naar WIMP’s, met een nog grotere hoeveelheid xenon. “Ik denk dat we nog drie ordes van grootte gevoeliger kunnen. Daarna wordt het lastig, dan gaan interacties met andere deeltjes de metingen beheersen, zoals die van neutrino’s die de zon in grote hoeveelheden uitspuwt”, aldus Decowski. “Maar áls donkere materie echt een WIMP is, dan hebben we het tegen die tijd zeker gevonden.”