Donkere materie bestuderen met explosieven

Met gebruik van explosieven willen natuurkundigen op spectaculaire wijze donkere materie meten. Een nieuw soort detector levert mogelijk knallende resultaten.

Het mysterieuze en onbekende goedje donkere materie kan mogelijk explosies veroorzaken in bepaalde materialen. Die eigenschap kan leiden tot een generatie nieuwe donkere materie-detectoren. Dat stellen Amerikaanse natuurkundigen op de voorpublicatiewebsite Arxiv

Met gebruik van explosieven willen natuurkundigen donkere materie meten. Bron: Wikimedia Commons
Met gebruik van explosieven willen natuurkundigen donkere materie meten. Bron: Wikimedia Commons

Een van de grootste raadsels in de huidige kosmologie is donkere materie. Daarvan is in het universum waarschijnlijk vijf keer zoveel aanwezig dan ‘gewone’ materie. Maar wat is donkere materie?

Natuurkundigen hopen die vraag te beantwoorden met behulp van een donkere materie-detector. Die detector kan donkere materie meten met het explosief genaamd nanothermiet. Die stof bestaat uit twee delen, een metalen nanodeeltje en een oxide, die zeer dicht tegen elkaar aan zitten zodat ze een reactie met elkaar kunnen aangaan. Wanneer die twee componenten dat doen, ontstaat een explosie.

Donkere materie kan mogelijk de energie leveren om de reactie op gang te brengen. Die energie kan vrijkomen als deeltjes van donkere materie botsen met vaste materie. Die materie remt het donkere deeltje af waardoor bewegingsenergie vrijkomt. De natuurkundigen stellen dat donkere materie zo’n interactie kan aangaan, aangenomen dat donkere materie bestaat uit zogeheten WIMP’s. WIMP’s kunnen een mogelijke verklaring zijn voor donkere materie. Als dat het geval is dan bestaat donkere materie uit deeltjes waardoor ze kunnen botsen met andere deeltjes. WIMP’s zijn namelijk zeer lichte deeltjes met een massa van 1 GeV tot 10 TeV. Ter vergelijking, de massa van één van de grootste deeltjes die we kennen, de top-quark, heeft een massa van 173 GeV.

Donkere materie zou dus te vinden moeten zijn als het een explosie veroorzaakt. Maar er zijn meer dan genoeg andere energiebronnen op aarde die ook leiden tot een explosief resultaat. Ioniserende deeltjes, afkomstig van kosmische straling en radioactieve materialen, bombarderen non-stop het aardoppervlak en veroorzaken dus ook explosies in de detector. De wetenschappers, verbonden aan de universiteit van Michigan, denken die explosies te kunnen onderscheiden van donkere materie-explosies. Donkere deeltjes veroorzaken maar een enkele kleine explosie. Ioniserende deeltjes veroorzaken daarentegen een grote explosie. Dat komt doordat die deeltjes groter zijn dan de donkere deeltjes. Daardoor gaan meer metalen nanodeeltjes een reactie aan met een oxide en ontstaat een grotere explosie. Donkere deeltjes zijn, vanwege hun grootte, slechts in staat om een kleine explosie te genereren.

Donkere materie-detector

De wetenschappers willen nu eerst een prototype detector bouwen. De detector bestaat uit compartimenten die gevuld zijn een oxide-gel met daarin metalen nanodeeltjes. Dat zijn de twee componenten die samen een reactie kunnen aangaan en op die manier een explosie veroorzaken. Een detector van een kilo zal maar liefst 10^14 van die metaaloxide-compartimenten moeten bevatten om de zeer kleine explosies nauwkeurig te kunnen meten. Dat zijn net zoveel compartimenten als cellen in een menselijk lichaam. Er zijn zoveel compartimenten nodig omdat relatief weinig donkere deeltjes aanwezig zijn om een explosie te veroorzaken.

De MINOS detector in Soudan is ondergronds om achtergrondstraling te vermijden. Bron: Wikimedia Commons
De MINOS detector in Soudan is ondergronds om achtergrondstraling te vermijden. Bron: Wikimedia Commons

Het bouwen van zo’n detector lijkt een moeilijke klus door alle achtergrondstraling. Boven de grond zal de detector namelijk meteen ‘afgaan’ door de achtergrondstraling. Een mogelijke oplossing zou zijn om de detectoren onder het aardoppervlak te plaatsen, minstens 2000 meter diep, waar minder achtergrondstraling is. Natuurkundigen zullen daar de detector moeten bouwen en de metingen uitvoeren. Of op die diepte ook nog donkere materie kan worden gemeten, is niet bekend.

Lees verder:

 

Plaats een reactie