Natuurkunde Al 90 jaar wordt geprobeerd donkere materie te detecteren. Een flits in een detector wordt nu nader onderzocht. Want er is geen ruis bekend die precies zo’n lichtflits kan opleveren als nu gezien is. Maar het kan ook nog een nieuwe vorm van achtergrondruis blijken te zijn.
Een vat met vloeibaar xenon (een edelgas) is onderdeel van de donkere materie-detector van de Sanford Underground Research Facility.
Op zestien juni 2023, iets voor half tien ’s avonds, deed zich een onverwacht lichtflitsje voor in een ondergrondse detector in South Dakota. In een ijskoud vat vloeibaar xenon leek één atoomkern lichtjes te zijn aangetikt, wat door ultragevoelige lichtsensors werd geregistreerd.
Gaat dit flitsje de geschiedenisboeken in als de eerste directe detectie van donkere materie, of toch als een nieuwe vorm van achtergrondruis? Nog niemand weet het zeker, maar na twee jaar intensief narekenen maakt een internationaal team van 250 wetenschappers nu bekend: we kunnen géén vorm van ruis bedenken die precies zo’n lichtflits oplevert. Als het team met verder onderzoek weet aan te tonen dat dit flitsje werkelijk van een donker materiedeeltje komt, zou dat een revolutie in de natuurkunde betekenen.
Het experiment, LUX-ZEPLIN (LZ) genaamd, is ontworpen om een eerste glimp op te vangen van donkere materie. De Zwitserse astronoom Frits Zwicky muntte die term al in 1933, toen hij zich realiseerde dat enkele sterrenstelsels zich sneller door het universum bewogen dan hun massa op het oog zou doen vermoeden. Er was, naast de massa in sterren en gaswolken, nog onzichtbare ‘donkere’ materie nodig om hun rotatie kloppend te beschrijven. Maar waar dat ongrijpbare goedje dan precies uit bestaat, is nog altijd onbekend. Het bestaan ervan wordt gereconstrueerd uit het zwaartekrachteffect, maar de materie lijkt verder geen enkele interactie te hebben met licht of andere elektromagnetische straling – vandaar de bijnaam ‘donker’.
Daarom proberen natuurkundigen die donkere materiedeeltjes al pakweg vijfentwintig jaar te betrappen op een botsinkje met een ‘normaal’ deeltje. Hoe ongelofelijk moeilijk dat is ligt niet aan de afwezigheid van het spul – 85% van de materie in het universum is ‘donker’ – maar aan het feit dat donkere materie zich praktisch nergens van aantrekt. En als zo’n onwaarschijnlijke botsing al voorkomt, is die haast niet te onderscheiden van ruis. Vandaar dat de LZ-groep zo zorgvuldig uitploos of het flitsje wel écht van donkere materie kon zijn.
„Deze botsing lijkt niet op bekende bronnen van achtergrondruis, en komt overeen met wat we van donkere materie zouden verwachten”, zegt Henning Flaecher aan de telefoon. Hij is hoofd van de LZ-onderzoeksgroep aan de universiteit van Bristol, en nuanceert de bevinding graag. „We claimen nog geen detectie, daar is onze foutmarge nog niet klein genoeg voor. De kans dat dit een bekende bron van ruis was, is nu één op tweehonderd, en dat is niet genoeg. Maar we begrijpen ons instrument heel goed, en hebben alles wat we konden bedenken gecontroleerd voor we dit naar buiten brachten.”
In het vat vloeibare xenon komen ontzettend veel botsingen voor die níet aan donkere materie te wijten zijn, legt Flaecher uit. Om die uit elkaar te houden van mogelijk baanbrekende ontdekkingen, neemt het team tal van maatregelen. Zo wordt de dataset ‘gezouten’: voor de analyse voegen de onderzoekers kunstmatige signalen toe – het zout – waarvan de data-analisten geen idee hebben of ze echt zijn of niet. „Pas als de analyse onafhankelijk gedubbelcheckt is, halen we het zout eruit en zien we of er een echte detectie tussen zat. Dat zorgt ervoor dat we niet bevooroordeeld zijn in de analyse en geen keuzes maken die tot onze gewenste uitkomst leiden.”
Die maatregelen werden uitvoerig behandeld toen Flaecher’s groep begin deze maand de bevindingen presenteerde op de vakconferentie TeVPA in Japan. Tina Pollmann, als onderzoeker verbonden aan de UvA en onderzoeksinstituut Nikhef, woonde die presentatie bij. „Ik vroeg me af: waarom geven ze zo’n technisch praatje voor een breed publiek? Normaal doen we dat niet. Maar toen het resultaat kwam, vielen de puzzelstukjes op hun plaats. Ze wilden vragen vanuit het publiek vooral vóór zijn.”
Hoewel Pollmann spreekt van een „spannend” resultaat, maant ze tot voorzichtigheid. „Overtuigend is dat dit flitsje hoogstwaarschijnlijk niet door bekende achtergrondruis komt. Maar dit is niet de eerste keer dat zoiets gebeurt in de zoektocht naar donkere materie. Tot nu toe is het steeds gebleken dat er een nieuw soort achtergrondruis is ontdekt, meestal van natuurlijk radioactief verval uit de omgeving. Er is een goede kans dat dat nu weer zo is, hoewel het natuurlijk heel leuk blijft dat er we weer zo’n mysterie voorhanden hebben.”
Flaecher’s groep heeft voor dit resultaat pakweg een derde van hun bruikbare data geanalyseerd, en is druk bezig met de verdere analyse. Dat moet duidelijker maken of het hier werkelijk gaat om donkere materie; een resultaat wat revolutionair zou zijn. Al helemaal omdat het lichtflitsje wat Flaecher en zijn collega’s zagen, helderder is dan wordt verwacht van de meest voor de hand liggende vorm van donkere materie zoals bedacht door theoretici.
„Met voorzichtige spanning” volgt ook theoretisch natuurkundige Susanne Westhoff (RU) het vervolgonderzoek. Zij hoopt vooral dat er meer botsinkjes in die vervolganalyse opduiken. „Met één bevestigde botsing kunnen we eigenlijk nog niet zo veel uitsluiten. Als we een beter beeld krijgen van de ‘energievoetafdruk’ van zo’n deeltje, leren we het deeltje zelf beter kennen. In elk geval is het al interessant dat dit flitsje zo helder is – dat wijst erop dat we populaire theorieën misschien moeten herzien als het resultaat bevestigd wordt.”
De verdere analyse door de LZ-groep zal niet nog eens twee jaar duren, durft Flaecher te beloven. En dan zal blijken of er meer van dit soort zeldzame lichtflitsjes hebben plaatsgevonden. Is dat het geval, dan zou donkere materie zich eindelijk kenbaar hebben gemaakt, negentig jaar na sterrenkundigen het indirect al ontdekten. En als het niet gebeurt, en een nieuw soort achtergrondruis is ontdekt, weten de onderzoekers in elk geval welk soort flitsje ze de volgende keer ook links kunnen laten liggen.
Bij Google kan je nu zelf aangeven welke nieuwsbronnen jij vaker wil zien in je zoekresultaten.Meer informatie