Donkeremateriekampioen

Al bijna een eeuw geleden werd er in Leiden over donkere materie gesproken. Sindsdien is Nederland koploper geweest in het onderzoek naar deze onbekende deeltjessoort die vrijwel niks doet, behalve zwaartekracht uitoefenen op zichtbare materiedeeltjes, aldus Tristan du Pree.

2017 was me het internationale jaartje wel. Een groot deel van het jaar deed ik onderzoek op de Frans-Zwitserse grens bij CERN, maar ik presenteerde ook een seminar in Zürich, gaf een presentatie aan de zonnige Middellandse Zee-kust van Slovenië, woonde een internationale conferentie in het besneeuwde Canada bij… Ik was zelfs even helemaal in Nijmegen voor een seminar over hoge-energiefysica. En vlak voor de jaarwisseling heb ik ook nog op Amsterdam Science Park lesgegeven. Ik legde daar uit hoe we met het ATLAS-experiment zoeken naar de productie van donkere materie in de Large Hadron Collider.

Tussendoor reed ik  nog even langs een conferentie in Wallonië. In het universiteitsstadje Louvain-la-Neuve (letterlijk ‘Het Nieuwe Leuven‘), bespraken we daar de laatste ontwikkelingen van het onderzoek aan donkere materie. Niet alleen het versnelleronderzoek op CERN, maar ook de ondergrondse detectoren, de experimenten in de ruimte (waar bijvoorbeeld mijn vrouw met een detector op het International Space Station aan werkt) alsook de laatste theorieën. Onderzoekers waren samengekomen uit alle hoeken van Europa, maar ook uit Japan en Zuid-Afrika, en ook na de presentaties gingen de discussies door. Populair gespreksonderwerp tijdens de koffie en chocola: wordt donkere materie wellicht veroorzaakt door zwarte gaten?

Geïmproviseerde enquête naar de favoriete vorm van donkere materie, gehouden onder deelnemers aan de conferentie in UCLouvain. Geen enkele theorie kreeg meer dan drie stemmen.
Geïmproviseerde enquête naar de favoriete vorm van donkere materie, gehouden onder deelnemers aan de conferentie in UCLouvain. Geen enkele theorie kreeg meer dan drie stemmen.

En, wat was na drie dagen de conclusie? Omdat ik zelf ook benieuwd was wat nu momenteel de favoriete theorie is, heb ik bij de afsluitende lunch een enquête geïmproviseerd. De stemming was openbaar (waardoor meer dan de helft van de deelnemers hield toch liever de kaarten tegen de borst hield), maar van de onderzoekers die wel durfden te stemmen bleek het eigenlijk vooral dat er bijzonder weinig consensus is. Van supersymmetrie tot zwarte gaten, axionen of steriele neutrino’s – allemaal konden ze op betrekkelijk matige steun rekenen. Zoals ook te zien op het krijtbord tasten we qua donkere materie momenteel dus voornamelijk in het duister.

Pionierswerk

Het proefschrift van Albert Bosma.
Het proefschrift van Albert Bosma.

Hoewel het onderzoek naar donkere materie dus heel internationaal is, heeft Nederland altijd een voorname rol gespeeld. Gianfranco Bertone, de Italiaanse woordvoerder van het Grappa-instituut op de Universiteit van Amsterdam, heeft dit samen met de Amerikaanse natuurkundige Dan Hooper duidelijk beschreven in het overzicht A History of Dark Matter. Pionierswerk in dit onderzoek, in de jaren twintig en dertig van de vorige eeuw, was er van Jan Oort en Jacobus Kapteyn in Leiden, waar zij studies deden naar de verdeling van massa’s en snelheden in de Melkweg. Al in 1922 werd er in Nederland over donkere materie gesproken!

Van cruciaal belang was later het werk aan Melkweg-rotatiecurves van Albert Bosma, uitgevoerd in de jaren zeventig. Terwijl Vera Rubin in de VS aanwijzingen aan het vinden was voor donkere materie in het zichtbare licht, bestudeerde Bosma in Groningen de golflengtes van 21 centimeter. Door middel van deze radio-astronomie concludeerde hij in zijn proefschrift: ‘Het blijkt dat we geen goede schattingen van de totale massa kunnen maken.’ En daarna: ‘Deze massa moet bestaan uit betrekkelijk donkere materie.’ Deze vondst maakte deze Nederlandse onderzoeker een van de hoofdrolspelers in de historie van donkere materie.

LEESTIP Alles over de omstreden speculatieve ideeën van theoretisch natuurkundige Erik Verlinde. € 7,95. Bestel nu in onze webshop.

En tegenwoordig speelt Erik Verlinde, op het gebied van theoretische fysica, in Amsterdam een belangrijke rol met een alternatieve theorie. In zijn theorie zou het effect van donkere materie namelijk veroorzaakt worden door het feit dat zwaartekracht niet helemaal begrepen is. Controversieel, en deze vorm van ‘emergente zwaartekracht’ is voorlopig nog regelmatig onderwerp van discussie.

Wereldrecord

Behalve in sterrenkunde en theorie, wordt ook het huidige experimentele deeltjesonderzoek gedaan door Nederlanders, en in Nederland. Zo bestaat de auteurslijst van een recent artikel van het Xenon1T-experiment uit 125 personen, waarvan een significant deel uit Nederland komt. Op de foto zie je een deel van de Nikhef-groep, die een belangrijke rol speelde in de totstandkoming van het nieuwe wereldrecord.

Nikhef-onderzoekers in hun lab op Amsterdam Science Park. Op de achtergrond de opstelling voor het toekomstige XenonNT-experiment. Het model in het midden (schaal 1:1) was het voorgaande kleinere Xenon100-experiment.
Nikhef-onderzoekers in hun lab op Amsterdam Science Park. Op de achtergrond de opstelling voor het toekomstige XenonNT-experiment. Het model in het midden (schaal 1:1) was het voorgaande kleinere Xenon100-experiment.

Deze groep was betrokken in allerlei aspecten van de meting. Zo droegen zij bij aan het reconstrueren van de energie en plaats van lichtflitsen in de detector. Ook werkten zij aan de voorspelling van het signaal, alsmede het begrijpen van de achtergronden, door het bestuderen van hun detector met stralingsbronnen. Daarnaast is de data-acquisitie en de speciale infrastructuur (met een minimum aan radioactiviteit) mede-ontworpen en gebouwd door Nederlandse onderzoekers en technici.

Vooralsnog hebben zij met hun supergevoelige detector alleen nog maar bepaalde theorieën van donkere materie uitgesloten. Maar momenteel zijn ze druk bezig meer data te analyseren en de hoop is natuurlijk op een echte ontdekking. Het huidige wereldrecord is gemaakt met slechts een maandje aan data, dus een nieuw record kunnen we zeker verwachten.

Hup Holland Hup

Terwijl nationalisme hoogtij viert zodra de Nederlanders op de Olympische Spelen weer een berg medailles bij elkaar schaatsen, is het vaak juist toch relatief stil als het over ons wetenschappelijk onderzoek gaat. Maar ook het wetenschappelijk onderzoek in onze polder is dus van wereldniveau, en deze zoektocht, door wetenschappers uit de Watergraafsmeer, is weer een nieuwe bijdrage aan de rijke Nederlandse historie van het onderzoek naar donkere materie.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

1 Reactie

  • Ron

    | Beantwoorden

    Als je praat over de geschiedenis van iets moet je wel de feiten checken. Ze zijn in Leiden zeker niet de eerste geweest met wat praten over donkere materie. Lord Kelvin deed dat al in 1884!
    “The hypothesis of dark matter has an elaborate history.[21] In a talk given in 1884,[22] Lord Kelvin estimated the number of dark bodies in the Milky Way from the observed velocity dispersion of the stars orbiting around the center of the galaxy. By using these measurements, he estimated the mass of the galaxy, which he determined to be different from the mass of visible stars. Lord Kelvin thus concluded that “many of our stars, perhaps a great majority of them, may be dark bodies.”[23]”
    Leidenenaren jullie zijn goed bezig, maar ook weer niet wereldleidend goed!

Plaats een reactie