In een lab van het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef zoekt een miniatuurversie van het Xenon1T-experiment niet naar mysterieuze materie, maar juist naar ruis. 

XAMS, de miniatuurversie van Xenon1T, in een lab van Nikhef
Xams, de miniatuurversie van Xenon1T, in een lab van Nikhef

Wie de grote versie weleens in werkelijkheid heeft gezien, waant zich in de kamer van het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef in een soort wetenschappelijk Madurodam. Net zoals je in die miniatuurstad schaalversies van bussen, lantarenpalen en huizen kunt bekijken, staat de bezoeker hier ineens oog in oog met een te heet gewassen versie van de pas geopende donkere materie-detector Xenon-1T. Deze miniversie is – in tegenstelling tot de gebouwtjes die je tijdens een dagje Madurodam ziet – volledig functioneel. ‘Dit is een kleine, maar volwaardige donkere materie-detector’, zegt fysicus Patrick Decowski, leider van de donkere materie-groep van het Nikhef. Xams, zoals de onderzoekers het experiment hebben gedoopt, is ‘alleen veel kleiner’.

Ruis

Of nouja… er is nog een belangrijk verschil met zijn grote broer. Xams staat namelijk niet onder de grond. Het echte Xenon-experiment, dat huist in het ondergrondse Gran Sasso-laboratorium in Italië, bevindt zich onder 1400 meter massief gesteente en weet zich omringd door een grote watertank. Beiden houden schadelijke stoorzenders – rondvliegende deeltjes – bij het experment weg, zodat deze kans heeft om de zeldzame WIMPs te meten, vluchtige, hypothetische deeltjes waarvan sommige fysici hopen dat ze het hoofdbestanddeel vormen van de onzichtbare donkere materie die overal in het universum aanwezig is, maar nog niet wordt begrepen.

‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’
LEES OOK

‘Einstein liep als theoreticus vast op de nieuwe bevindingen’

Toen de Nederlandse natuurkundige Heike Kamerlingh Onnes iets geks ontdekte over supergeleiding, was dit onder veel fysici het gesprek van de dag. Maa ...

Dat die bescherming tegen ruis van buitenaf hier ontbreekt, betekent dat Xams vermoedelijk geen donkere materie zal meten. Of althans: áls Xams donkere materie meet, zal het signaal van die meting verzuipen in een zee aan achtergrondruis veroorzaakt door alle andere deeltjes die signalen opwekken in het experiment. Dat is in dit geval alleen helemaal niet erg. Sterker nog: het is de bedoeling.

Finetunen

‘Het is misschien zelfs jammer dat de behuizing de detector toch nog een beetje beschermt tegen ruis’, zegt fysicus Auke Pieter Colijn, die samen met Decowski de donkere materie-groep leidt. Het is immers de bedoeling dat het experiment ruis meet. Op die manier kunnen de fysici Xams gebruiken om de eigenschappen van xenon beter in kaart te brengen. Dat materiaal, zoals de naam van Xenon1T al doet vermoeden, is het hoofdbestanddeel van de detector. In Xenon1T zit een ton van het spul, bij Xams slechts een bescheiden drieënhalve kilogram. Toch is dat volgens Decowski voldoende om het goedje te doorgronden. ‘We willen begrijpen wat er precies gebeurt bij het biljartspel in zo’n detector, wanneer een deeltje dat je meet tegen een xenon-atoom botst en een lichtflitsje uitzendt’, zegt Decowski. Het zijn die lichtflitsjes die de detector meet.

Daarnaast dient Xams als testomgeving voor nieuwe detectiesoftware die nog beter de weg vindt in de statistische wirwar van meetgegevens die een experiment als Xenon1T verzamelt. ‘We kunnen onze data-analyse hiermee goed finetunen’, zegt Decowski. Tot slot kunnen de onderzoekers met Xams in het klein testen of nieuwe onderdelen voor Xenon1T – andere soorten detectoren, bijvoorbeeld – de moeite waard zijn.

Marionet

REISTIP. Maak met New Scientist een once in a lifetime-reis naar Cern, het walhalla van de internationale deeltjesfysica. Kijk hier voor meer informatie
REISTIP Maak met New Scientist een once in a lifetime-reis naar Cern, het walhalla van de internationale deeltjesfysica. Kijk hier voor meer informatie.

Terwijl onderzoekers met Xams al aan verbeteringen voor de grote broer in Italië werken, gaat dat experiment zelf nu bijna van start. ‘We maken de ombouw naar verwachting deze week dicht en gaan dan de laatste tests met het systeem uitvoeren’, zegt Decowski. Daarvoor moet Colijn nog wel even naar Italië, om daar de ophanging van de tank met xenon te testen. ‘We moeten de puntjes op de i zetten’, zegt Colijn daarover. De xenontank hangt als een soort marionet aan staalkabels in een grotere tank met water. Die kabels staan in verbinding met een stelmechanisme waarmee de fysici de oriëntatie van de tank een klein beetje kunnen aanpassen. Die ophanging moet precies goed zijn om het experiment tot een succes te maken. ‘Het vloeistofniveau van het water moet zo parallel mogelijk zijn aan de rasters met detectoren’, zegt Colijn. ‘Dat is echt micrometerwerk.’

De fysici zijn in elk geval optimistisch over het experiment. ‘Het leuke van Xenon1T is dat het een detector is die speciaal is gemaakt om WIMPs te ontdekken’, zegt Colijn. ‘Daarom weet je zeker dat alles dat je ziet in die detector een ontdekking is, al weet je natuurlijk niet meteen zeker of je ook echt donkere materie hebt gevonden.’ Hoe lang die vondst op zich laat wachten, weet nog niemand. Zeker is wel dat de Xams-detector vanuit een lab in Amsterdam de ontwikkeling van zijn grote broer zal volgen en – waar mogelijk – zelfs sturen.

Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.

Lees verder: