Fysici hopen in het ondergrondse deeltjesfysicalab in Gran Sasso te ontdekken waar 85 procent van de massa van het universum zich verstopt. Zij openden daartoe gisteren het meest nauwkeurige donkerematerie-experiment ter wereld.
Achter enorme stalen deuren, in het diepste binnenste van een grote berg ligt het Italiaanse Gran Sasso National Laboratory, een ondergronds laboratorium gedomineerd door honderd meter hoge hallen met ruimte voor grote natuurkunde-experimenten.
Het massieve gesteente van de berg, een laag van 1400 meter, beschermt de daar aanwezige meetapparatuur voor straling uit de kosmos. Dat maakt Gran Sasso tot de ideale plek om jacht te maken op deeltjes die je anders moeilijk kunt vinden. Signalen van sommige vluchtige deeltjes verdrinken normaal gesproken namelijk in de zee van achtergrondruis die wordt veroorzaakt door alle andere deeltjes die elke dag via onze atmosfeer het aardoppervlak bereiken.
‘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 ...
In de middelste hal, hal B, bouwt men sinds 2012 aan de grootste donkeremateriejager ter wereld, de Xenon1T. Gisteren onthulden de onderzoekers het eindelijk aan genodigden, waaronder New Scientist, door er op symbolische wijze een fles Italiaanse prosecco op kapot te slaan (zie filmpje hieronder).
Het belangrijkste doel van Xenon1T is signalen opvangen van donkere materie, een nog onbekende, mysterieuze en grotendeels onzichtbare vorm van materie die het universum overspoelt. Aan het experiment nemen 126 wetenschappers uit 21 landen mee, waaronder fysici van het Nederlandse deeltjesfysica-instituut Nikhef.
Vakgebieden komen bij elkaar
‘We hopen in maart 2016 de eerste wetenschappelijke gegevens te verzamelen’, zegt fysicus Patrick Decowski die bij Nikhef verantwoordelijk is voor de Xenon1T-detector. Eerder deze week won Decowski – samen met anderen – nog de prestigieuze Breakthrough Prize in Fundamental Physics voor zijn werk aan een ander experiment, het in Japan gehuisveste neutrino-experiment KamLAND.
Decowski is enorm enthousiast over Xenon1T. ‘Dit experiment is klein genoeg dat je iedereen kent. Daardoor zijn mensen bereid offers te maken om het gezamenlijke einddoel te bereiken’, zegt hij.
Bovendien is het vakgebied enorm spannend. ‘Bij het onderzoek naar donkere materie komen twee vakgebieden bij elkaar’, zegt Nikhef-directeur en deeltjesfysicus Stan Bentvelsen die ook bij de opening aanwezig was. ‘De bewijzen voor donkere materie kwamen uit de astronomie, maar het antwoord op dat mysterie komt straks misschien uit deeltjesfysica-onderzoek.’
Uit elkaar getrokken
Astronomen kwamen de mysterieuze vorm van materie al jaren geleden op het spoor. Zij ontdekten dat van alle massa in de kosmos 85 procent ‘donker’ is. Die donkere materie verraadt zijn aanwezigheid alleen indirect, door zwaartekracht uit te oefenen op andere materie. Astronomen berekenden dat sterrenstelsels zonder de aanwezigheid van donkere materie door hun draaiing uit elkaar zouden worden getrokken, zagen hoe lichtstralen tijdens hun reis door de kosmos door mysterieuze massa’s werden afgebogen en bleken tot slot ook extra massa nodig te hebben om het energiehuishoudboekje van het universum in balans te brengen.
De ontdekking van donkere materie degradeerde het universum dat wij kennen en zien direct tot een bijrolspeler op het kosmisch toneel. Wie netjes de massa van alle sterren, planeten, nevels, zwarte gaten, manen en alles dat op aarde loopt en leeft bij elkaar optelt, heeft onder de streep pas 15 procent van het totaal te pakken. De overige 85 procent is vooralsnog volkomen onbekend.
Spookachtige deeltjes
Of nou ja, onbekend – theoretisch-fysici hebben in de loop der jaren wel een aantal ideeën voorgesteld die het verschijnsel kunnen verklaren. De populairste daarvan is het bestaan van spookachtige deeltjes die wetenschappers WIMPs hebben gedoopt. Naar deze ‘weakly interacting massive particles’, oftewel: deeltjes die wel wat wegen, maar verder (bijna) niet reageren op andere deeltjes, zoekt het nieuwe Xenon1T-experiment.
Xenon1T wil dat klusje klaren met een tank gevuld met vloeibaar xenon, een edelgas dat dienst doet als donkeremateriedetector omdat er licht vrijkomt wanneer een xenonatoom geraakt wordt door een WIMP. Het zijn die lichtflitsjes die de fysici in hun experiment hopen te meten.
Zwaarder en nauwkeuriger
Om een dergelijk zeldzaam signaal te kunnen vinden, moeten de fysici hun xenontank goed beschermen. De eerste defensielinie is het gesteente, maar de xenontank hangt ook nog in een grotere tank gevuld met zuiver water. Dat water beschermt het xenon tegen de invloed van neutronen, deeltjes die een zelfde soort reactie in xenon kunnen veroorzaken als WIMPs. Door handig te meten en de niet-relevante gegevens weg te filteren – een lastige tak van sport waar de Nikhef-medewerkers hun kunsten bij dit experiment op loslaten – kunnen onderzoekers bepalen wanneer ze te maken hebben met donkere materie.
Xenon1T is niet het eerste en ook niet het enige experiment dat op grofweg deze manier donkere materie hoopt te vinden. Het is de opvolger van de Xenon100 en de Xenon10, die respectievelijk met 161 en 25 kilogram xenon naar donkere materie speurden. De Xenon1T is met 3500 kilogram xenon een flinke sprong zwaarder en daardoor nauwkeuriger. De plannen voor een nog zwaardere opvolger, de Xenon-nT (met 7000 kg xenon), liggen bovendien al klaar.
Belangrijkste concurrent
Xenon1T zorgt er bovendien voor dat het gevoeligste donkerematerie-experiment ter wereld straks weer ‘gewoon’ in Gran Sasso staat, de plek waar dit soort xenon-experimenten in 2005 begonnen. De belangrijkste concurrent, het LUX-experiment, volgde in 2013 nog Xenon1T-voorloper Xenon100 op als vaandeldrager van het vakgebied. LUX, dat een kilometer onder de grond in een oude mijn in het Amerikaanse South Dakota staat, wordt nu voorbijgestreefd door het Xenon-team, maar heeft ook zelf al een opvolger in de planning staan. Die opvolger, het zogeheten LZ-experiment, wordt volgens planning grofweg even sterk als de beoogde opvolger van Xenon1T, de Xenon-nT.
‘Het is een spannende concurrentiestrijd’, zegt fysicus Chris Tunell van Nikhef over de wapenwedloop tussen beide experimenten. Tunell doet de gegevensverwerking van de Xenon1T. ‘Maar het blijft wel wetenschap. De concurrentie is hevig, maar niet agressief. We kennen elkaar en spreken elkaar op conferenties. Het is een klein vakgebied.’
De hoek in drijven
Vergelijkbaar met hoe fysici bij de jarenlange jacht op het higgsdeeltje steeds verder inzoomden op de massa van dat deeltje totdat ze het vonden, drijven de steeds nauwkeurigere donkerematerie-experimenten WIMPs ook steeds verder de hoek in. Dat is nodig omdat niemand op dit moment nog weet hoe gemakkelijk WIMPs op andere deeltjes botsen. ‘Het feit dat we ze nog niet hebben waargenomen, vertelt ons dat de waarschijnlijkheid dat de deeltjes tegen atomen in onze detectors aanbotsen zeer klein is en dat we gevoeligere experimenten nodig hebben om de vingerafdrukken van dit deeltje te vinden’, zegt Decowski.
Die gevoeligere experimenten kunnen deeltjes vinden wanneer ze een lagere botsingswaarschijnlijkheid hebben. Dat maakt de kans dat iemand de deeltjes betrapt steeds groter, want het aantal WIMPs dat volgens voorspellingen door de detector vliegt, is enorm. Decowski: ‘we verwachten dat er per seconde ongeveer honderdduizend door een oppervlak ter grootte van een duimnagel bewegen.’
‘Geef ons een teken’
Dankzij de steeds nauwkeurigere donkerematerie-experimenten weten fysici dus steeds beter hoe makkelijk (of eigenlijk: moeilijk) de deeltjes botsen. ‘Ook als we met Xenon1T geen donkere materie vinden, is dat daarom alsnog een resultaat waar de natuurkunde wat aan heeft’, stelt Decowski.
Toch hoopt iedereen bij Xenon1T vooral dat hun experiment, en dan het liefst al in de huidige fase, donkere materie zal vinden. Het simpelweg nog nauwkeuriger bepalen van de ondergrens van de botsingswaarschijnlijkheid is, hoewel nuttig, uiteindelijk vooral ook een stuk minder spannend. ‘We zijn die lagere limieten een beetje zat’, grapte Fernando Ferroni, voorzitter van het Italiaanse nucleaire fysica-instituut daarom op de installatiebijeenkomst van Xenon1T. ‘Geef ons liever eens een teken van donkere materie.’
Fysicus Elena Aprile, oprichter van het Xenon-project en verbonden aan Columbia University, sloot zich bij dat sentiment aan. ‘Mijn droom is dat donkere materie net om de hoek zit van wat we tot nu toe konden meten. Dan zijn we met dit experiment precies op tijd om het te vinden.’
Altijd op de hoogte blijven van het laatste wetenschapsnieuws? Meld je nu aan voor de New Scientist nieuwsbrief.
Lees verder: