Deze maand publiceerden wetenschappers de eerste meting van een langgezocht deeltje van donkere materie. Staan fysici op het punt om het grootste raadsel uit de moderne natuurkunde nu eindelijk op te lossen? ‘Je kunt er zeker van zijn dat ik erg, erg opgewonden ben.’
is wetenschapsredacteur voor de Volkskrant. Hij schrijft over sterrenkunde, natuurkunde en ruimtevaart.
Het is 16 juni 2023, net iets voor half vier ’s middags plaatselijke tijd. Ruim 1,5 kilometer onder het Black Hills-gebergte in de Amerikaanse staat South Dakota, tijdens het zogeheten Lux-Zeplin-experiment (LZ), vindt dan een deeltjesbotsing plaats waarnaar fysici al decennialang reikhalzend hebben uitgekeken.
Daar, in het donker van een afgesloten vat tjokvol met het edelgas xenon, vloeibaar gemaakt op een temperatuur van zo’n 100 graden onder 0, raast een kenmerkend lichtsignaal door het instrument. Het is een meting van het deeltje dat men al sinds de bouw hoopt te betrappen, zo stelde deze maand een jarenlange analyse: een deeltje van donkere materie.
Wanneer wetenschappers verbonden aan LZ hun resultaat in september van dit jaar eindelijk naar buiten brengen, in een presentatie op een wetenschappelijk congres in Japan en met een artikel op de wetenschappelijke voorpublicatiesite Arxiv, is het enthousiasme dan ook groot.
‘Dit is in mijn carrière het eerste voorbeeld van een uitschieter die in alle opzichten echt lijkt te zijn’, zegt Aaron Manalaysay van het LZ-experiment in een persbericht over het resultaat. ‘Het is opwindend om je bezig te houden met de vraag of dit de eerste aanwijzing is voor een waarneming van donkere materie.’
Ook elders is het enthousiasme groot. ‘Ik wacht al – o God – veertig jaar op een positief resultaat’, zegt theoretisch natuurkundige Katherine Freese van de Universiteit van Texas, een van de eerste wetenschappers die voorstelde hoe je donkere materie zou kunnen meten, tegen wetenschapssite Scientific American. ‘Dus je kunt er zeker van zijn dat ik erg, erg opgewonden ben over het resultaat van LZ.’
Eerst even een stapje terug. Donkere materie is een van de grootste moderne natuurkundige mysteries. Het is iets waarvan het bestaan vooralsnog alleen indirect is aangetoond.
Wetenschappers herkennen de invloed van donkere materie onder meer in het gedrag van sterrenstelsels, samenballingen van miljarden sterren zoals de Melkweg. Zulke sterrenstelsels draaien eigenlijk te snel om hun as. Sterren zouden eruit moeten zwiepen als water uit een slacentrifuge, maar dat gebeurt niet. Fysici vermoeden dat donkere materie de boel met haar zwaartekracht bij elkaar houdt.
Het is slechts een van de manieren waarop ze haar bestaan kenbaar maakt. Het heelal, zo hebben astrofysici keer op keer berekend, moet er ramvol mee zitten. Van alle materie in het heelal moet zo’n 85 procent het verder volstrekt onbekende donkere materie zijn.
Hoewel er wetenschappers zijn die vermoeden dat donkere materie helemaal geen materie is, maar bijvoorbeeld het gevolg van een lacune in ons begrip van natuurwetten zoals zwaartekracht, denken de meeste natuur- en sterrenkundigen dat donkere materie iets tastbaars is dat bestaat uit nog onbekende deeltjes.
De populairste kandidaten voor die deeltjes zijn zogeheten WIMPs, een afkorting van ‘weakly interacting massive particles’. Vrij vertaald: deeltjes die heel zwaar zijn, maar nauwelijks interactie hebben met andere deeltjes. Experimenten zoals LZ, maar ook de Europese tegenhanger XenonNT, gelegen onder het bergmassief Gran Sasso in Italië, zijn op zoek naar exact dat type nu nog hypothetische deeltjes.
Aangezien zulke experimenten plaatsvinden onder dikke lagen gesteente is de meetapparatuur beschermd tegen storende straling uit de kosmos. In de tanks met xenon zoeken beide experimenten naar kenmerkende lichtsignalen die moeten vrijkomen wanneer zo’n WIMP op een xenon-atoom botst.
Die gebeurtenis zou op het aardoppervlak verdrinken in een zee van achtergrondruis, maar moet daar, in de relatieve deeltjesstilte onder de bergen, meetbaar zijn. Althans: als je de resterende achtergrondruis goed hebt begrepen en op de juiste manier van je signaal hebt afgetrokken. ‘We worstelen nu met de vraag of we wellicht een zeldzaam achtergrondmechanisme over het hoofd hebben gezien’, zegt Manalaysay daarom.
Patrick Decowski, die vanuit het Nederlandse instituut voor subatomaire fysica Nikhef al vanaf dag één betrokken is bij het XenonNT-experiment, ziet daarin dan ook de grootste valkuil. ‘Elke detector is anders, en elke detector heeft zijn eigen eigenschappen die je moet bestuderen en begrijpen. Dat geldt ook voor ons. Ook al lijken deze twee experimenten veel op elkaar, ze hebben elk hun eigen karakter, elk een eigen achtergrondsignaal. De mogelijkheid bestaat dat ze daarin iets over het hoofd hebben gezien’, zegt hij.
Ook Decowski voelt daarom die mengelmoes van opwinding en voorzichtigheid, vertelt hij over de telefoon. ‘Ik vind het leuk om die beide kanten in mezelf te voelen. Als mens denk je: zou het écht? Dat is heel spannend. Maar als wetenschapper denk je ook: dit is een event van 3 sigma. Dus dan ga je het relativeren.’
Natuurkundigen hanteren namelijk een gouden statistische standaard voor wanneer ze over een echte vondst spreken. Het gaat daarbij om een kans van hooguit 0,00003 procent dat een resultaat een statistische luchtspiegeling is, in kringen van fysici ook aangeduid als ‘een resultaat van 5 sigma’.
In dit geval is de kans dat de meting niet iets werkelijks vertegenwoordigt nog altijd klein, slechts zo’n half procent, zo’n 2,6 sigma in hetzelfde jargon. En dat is te onzeker voor de natuurkundige finishlijn.
Maar er is nog een tweede reden om voorzichtig te zijn: het opvallende signaal zelf. ‘Dit is een ander soort WIMP dan waar wij in eerste instantie naar zochten’, zegt Decowski.
De crux zit hem in de gemeten eigenschappen van de botsing met de kern van het xenon-atoom. ‘We hadden verwacht dat zo’n botsing elastisch zou verlopen, een beetje zoals wanneer biljartballen op elkaar knallen. Maar dat blijkt hier niet het geval’, zegt hij.
De meting gaf een te hoge ‘terugkaatsingsenergie’, zoals het in kringen van deeltjesfysici heet. Dat wil zeggen: de atoomkern kreeg een veel hardere zet van het botsende deeltje dan verwacht. Om dat te verklaren moeten onderzoekers naar meer exotische modellen kijken, naar zogeheten inelastische donkere materie. ‘Geen biljartballen meer’, zegt hij.
Dat is misschien ook helemaal niet gek, gegeven alle vraagtekens die al jaren rond donkere materie worden geplaatst. ‘Het is best logisch als hier een rekenmodel achter zit dat wel iets afwijkt van wat we veertig jaar geleden al bedacht hebben.’ Sterker nog, als natuurkundige vindt Decowski dat alleen maar leuk. ‘Dit soort modellen leveren een wat rijkere fysica op.’
Maar dan moet de botsing die LZ heeft gemeten dus wel iets echts zijn, en geen statistische fata morgana. Gelukkig heeft het experiment op dit moment pas grofweg een derde van zijn dataset doorgerekend. De kans bestaat dus dat in de andere twee derde nog meer van dit soort botsingen schuilen.
Ook bij XenonNT gaat men het vizier nu op precies dit soort botsingen richten, vertelt Decowski. Zij hebben op dit moment in hun data überhaupt nog niet gezocht naar signalen van dit soort WIMPs. ‘Dat had vooraf wat minder prioriteit’, zegt Decowski.
Decowski vindt het goed en dapper dat LZ nu naar buiten is gekomen met dit resultaat. ‘Op een gegeven moment heb je alle checks die je moet doen gedaan. Het signaal bleef daarbij overeind. Dan moet je naar buiten, het aankondigen. Nu is het aan de wetenschappelijke gemeenschap om ernaar te kijken en het te proberen af te schieten. In het verleden zijn er meer experimenten geweest die eerst iets gevonden dachten te hebben, maar dat later moesten terugdraaien. Dat is altijd vervelend, maar dat is nu eenmaal een risico van het vak.’
Hij verwacht hoe dan ook dat beide experimenten al relatief snel de volgende bewijsstukken in de jacht op deeltjes van donkere materie kunnen presenteren. ‘Ik denk dat dit alles minimaal een half jaar duurt. Dat is wetenschappelijk gezien natuurlijk een razend tempo. Dit wordt de komende maanden voor al onze experimenten een speerpunt.’
Alles over wetenschap vindt u hier.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant