Naar de content

Op zoek naar donkere energie in een Amsterdamse kelder

CANNEX-experiment test kameleontheorie

NASA/ESA/G. Illingworth, D. Magee en P. Oesch van University of California, Santa Cruz/R. Bouwens van Universiteit Leiden/HUDF09-Team

Donkere energie vormt een van de grootste raadsels in de kosmologie. Het is de verklaring voor het steeds sneller uitdijende universum, en toch weet niemand wat donkere energie is. De Vrije Universiteit en Stichting FOM hebben hun zinnen gezet op het testen van een van de bestaande theorieën. Ze proberen kameleondeeltjes te spotten in een Amsterdamse kelder. NEMO Kennislink nam een kijkje.

21 augustus 2015

Het is misschien niet de meest voor de hand liggende plek om de donkerste geheimen van het universum te ontrafelen. Ergens in een onooglijke kelder van de bètafaculteit van de Vrije Universiteit in Amsterdam, achter een van de deuren in een lange gang, staat een apparaat dat een poging gaat wagen.

CANNEX (het Casimir And Non-Newtonian force EXperiment) is een rechtopstaande glimmende cilinder met drie forse metalen poten. Binnenin deze vacuümkamer moet hij opduiken: het kameleondeeltje. Dit deeltje zou wel eens de oplossing kunnen vormen voor het inmiddels bijna 20 jaar oude raadsel van donkere energie. Maar het is niet makkelijk om het deeltje te vinden: het speelt namelijk verstoppertje.

Donkere energie

Het universum dijt steeds sneller uit. Sterrenstelsels bewegen met een steeds grotere snelheid van elkaar en daar snappen wetenschappers helemaal niets van. Lang was men ervan overtuigd dat het universum door de zwaartekracht juist zou moeten afremmen, maar in 1998 bleek het tegenovergestelde. Bij gebrek aan een verklaring werd de versnelling toegeschreven aan donkere energie, die zo’n 74 procent van de energie in het universum zou vormen. Wat donkere energie is weet niemand. Sommige wetenschappers denken dat de theorie van de zwaartekracht op de schop moet, anderen vermoeden dat onontdekte deeltjes de verklaring zijn.

Mysterieuze kracht

De apparatuur zoemt om de werkplek van Atta Almasi, en zijn bureau is omringd door opgestapelde meetinstrumenten, kluwen draden en hordes buizen. Voor een buitenstaander is het een chaos, maar Almasi vindt er moeiteloos zijn weg. De uit Iran afkomstige Almasi promoveert aan de Vrije Universiteit en is verantwoordelijk voor het opbouwen en testen van het CANNEX-experiment en daarvoor is dit overvolle lab nodig.

Timelapse van de opbouw van het CANNEX-experiment.

Als het niet lukt om het raadsel van donkere energie op te lossen door naar het heelal te kijken, zoals veel wetenschappers (tot nu toe tevergeefs) proberen, dan proberen we het gewoon op aarde te vinden. Zoiets moeten Almasi en zijn directe collega’s, professor Davide Iannuzzi en projectleider René Sedmik, hebben gedacht.

Die gedachte is best bijzonder, want de aarde en het zonnestelsel zijn juist plekken waar we helemaal niets merken van donkere energie. De planeten en materie op aarde worden niet uit elkaar gedrukt door een mysterieuze kracht. Op grote afstand is die kracht er wél.

Sterrenstelsels bewegen steeds sneller van elkaar vandaan, terwijl wij op aarde niets merken van een uitdijende kracht. Wellicht kan het kameleondeeltje hiervoor een verklaring geven.

 NASA/ESA/G. Illingworth, D. Magee en P. Oesch van University of California, Santa Cruz/R. Bouwens van Universiteit Leiden/HUDF09-Team

Kameleondeeltjes

Het ontbreken van die uitdijende kracht op aarde is de crux van de theorie die Almasi onderzoekt: de kameleontheorie, in 2004 voorgesteld door theoretici Justin Khoury en Amanda Weltman. Zij stellen dat kameleondeeltjes verantwoordelijk zijn voor de enorme kracht die sterrenstelsels uit elkaar kan drijven, maar in de buurt van materie (bijvoorbeeld op aarde of in het zonnestelsel) vrijwel geen rol meer spelen.

De deeltjes camoufleren zich namelijk en van hun invloed is dan niet meer te merken. “Het idee is dat kameleondeeltjes erg zwaar worden op het moment dat ze in de buurt van materie zijn”, zegt Almasi. “Ze gaan een soort koppeling aan waardoor het deeltje zijn uitdijende kracht verliest.”

Precies dat verlies aan kracht willen Almasi en collega’s waarnemen. En daarvoor hebben ze een experiment bedacht dat verrassend simpel van aard is. CANNEX is een krachtdetector die het krachtsverschil tussen twee gouden plaatjes in een vacuüm meet. Op het moment dat dit vacuüm verandert zouden de kameleoninteracties ook moeten veranderen, aldus de theorie. “De plaatjes zitten op een afstand van slechts een micrometer van elkaar,” legt Almasi uit. “Door de injectie van xenongas vermindert het vacuüm en de vermeende kameleoninteracties. De plaatjes zouden dan naar elkaar toe moeten bewegen.”

De gouden plaatjes van het CANNEX-experiment aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. Tussen de plaatjes zit ongeveer een micrometer ruimte.

 Roel van der Heijden

Gevoelig, gevoeliger…

Of dat allemaal gaat lukken is de vraag. De vermeende kameleoninteracties tussen de twee gouden plaatjes zijn extreem zwak en worden – als ze er al zijn – overstemd door andere krachten. Zo is er bijvoorbeeld een elektrostatische kracht, als gevolg van de ladingen die zich op de plaatjes verzamelen. Ook het Casimireffect kan de plaatjes naar elkaar toe drijven als gevolg van quantumfluctuaties. Hoe klein en verwaarloosbaar elektrostatische en Casimirkrachten normaalgesproken zijn, ze zijn in het experiment van Almasi dominant en zo’n 10.000 maal groter als de gezochte kameleonkracht.

Nu kun je de elektrostatische- en Casimirinteracties tussen de plaatjes precies voorspellen, dus alles wat afwijkt zou kunnen wijzen op donkere energie. “Om de kameleontheorie te bevestigen of uit te sluiten willen we krachten van slechts 10-13 newton meten”, zegt Almasi. “Daarvoor heb je bijzondere meetapparatuur nodig. De sensors die we gebruiken worden normaal gebruikt om aardbevingen te detecteren.”

Maar met een flinke vacuümkamer op stevige poten en een extreem goede sensor zijn de wetenschappers er nog niet. De gouden plaatjes hangen in de vacuümkamer aan een slinger die op zijn beurt weer is bevestigd aan een veer. Verder moeten er nog speciale antitrillingssystemen worden geïnstalleerd die de gevoeligheid van het systeem zo’n 1000 keer verhogen.

Zo gezien is het niet gek dat CANNEX tot de kelder van de faculteit is veroordeeld. Daar zijn storende trillingen van de buitenwereld nauwelijks aanwezig. Maar iedere trilling is er een teveel. Zo kunnen zelfs de klimaatsystemen en de afzuiging die in de hoek van het laboratorium zoemen roet in het eten gooien.

Buitenbeentje

De kameleontheorie is eigenlijk een buitenbeentje. Veel wetenschappers vermoeden dat de versnelde uitdijing van het heelal te verklaren is met andere theorieën. Bijvoorbeeld een soort vacuümenergie die het universum uit elkaar drukt, of de zwaartekracht die anders werkt op grote schaal. Ook Almasi denkt dat: “Het is niet zo waarschijnlijk dat kameleondeeltjes bestaan. Als je het aan mij persoonlijk vraagt dan denk ik dat we een alternatieve zwaartekrachttheorie nodig hebben.”

Almasi bij CANNEX.

 Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Toch zegt Almasi dat we alle mogelijke theorieën moeten testen, inclusief de kameleoninteracties. “Ik denk dat we over een jaar de eerste metingen kunnen doen”, zegt hij. “Daarmee hopen we de eerste 20 procent van de mogelijk kameleoninteracties uit te sluiten. Als alles goed gaat dan kunnen we gevoeligheid van de opstelling verbeteren en uiteindelijk alle mogelijkheden uitsluiten.”

Dat gaat nog jaren duren. Jaren van minutieus experimenteren in een ruimte waar maar mondjesmaat daglicht binnensijpelt. De enige verbinding met de buitenwereld zijn de plantjes die voor de kleine raampjes bovenin de ruimte in de wind deinen. Maar Almasi heeft er zin in. “Het was wel even wennen om de hele dag in een kelder te werken, maar ik heb mijn muziek, internet en natuurlijk een fantastisch experiment.”

Deze organisatie doet dit jaar niet mee aan het Weekend van de Wetenschap. Kijk voor het actuele programma in het weekend van 7 en 8 oktober 2017 op de website.

ReactiesReageer