Het geheim van het heelal ligt diep in de berg

Wetenschap in uitvoering Fysicus Matteo Alfonsi jaagt in een Italiaanse berg op donkere materie uit het heelal.

Margriet van der Heijden

Gran Sasso, 24 juni. Vanaf Rome is het krap twee uur rijden. Bijna in rechte lijn, over de A24 naar het noordoosten. Steeds meer gele brem en kale rotsen. Dorpen als kraaiennesten daarboven. En dan het massief met de hoogste toppen van de Apennijnen, Gran Sasso, de ‘Grote Steen’.

Fysicus Matteo Alfonsi zag die bergtoppen twee jaar geleden pas voor het eerst. Hij is geboren en getogen in Ostia, aan de kust bij Rome. “Maar ’s zomers gingen we naar het strand en ‘s winters skieden we in een lager deel van de Apennijnen.”

Nu zit Alfonsi op de westelijke hellingen van de Gran Sasso bij het zwembad voor zijn ‘vaste hotel’. Het is bijna dertig graden. Beneden ligt het dorp Assergi, de huizen dicht tegen elkaar aangekropen. Daarachter strekt de vallei zich nevelig uit naar het stadje l’Aquila.

Bovenop het bergmassief is Alfonsi nog steeds niet geweest. Als hij hier is – de afgelopen twee jaar bij elkaar enkele weken – zit hij in de kantoren van het Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) die iets lager tegen de helling liggen. En soms zelfs onder de ‘Grote Steen’. Letterlijk, want het laboratorium zelf is diep in het massief uitgehakt. Onder 1.400 meter rots staat daar het internationale Xenon100-experiment waaraan Alfonsi meewerkt – als postdoc van het Nederlands instituut voor deeltjesfysica Nikhef in Amsterdam.

“Neem een vest mee als we straks gaan kijken”, zegt hij, “want ondergronds is het koud en nat.”

Het Xenon100-experiment zoekt naar WIMPs. Gisteravond bij het zwembad had Alfonsi daarover al verteld.

WIMPs staat voor ‘weakly interacting massive particles’, en wat dat precies zijn, weet niemand. Slechts dit staat vast: WIMPs zijn kandidaten voor de geheimzinnige ‘donkere materie’ in het heelal.

Dát deze tot dusver geheel onzichtbare materie in het heelal aanwezig moet zijn, leiden wetenschappers af uit indirecte waarnemingen. Zo stelde de befaamde Nederlandse astronoom Jan Oort al in 1932 vast dat de buitenste sterren van het Melkwegstelsel sneller bewegen dan je op grond van de zwaartekracht van het Melkwegstelsel zou verwachten. Alsof er een geheimzinnige substantie aan ze trekt.

Latere waarnemingen bevestigden tot op de grootste schalen van het heelal: naast de materie die wij ‘zien’ – sterren en planeten – lijkt er ook andere, onzichtbare materie te bestaan. Sterker: die donkere materie zou zelfs 83 procent van alle materie in de kosmos uitmaken. En het ligt voor de hand te veronderstellen dat die donkere materie, net als zichtbare materie, uit minuscule bouwsteentjes bestaat.

Hoe zien die eruit? Twee dingen zijn duidelijk. Ze verraden hun bestaan kennelijk niet door met ‘gewone’ materie in wisselwerking te treden op de gebruikelijke manieren: via magnetisme, elektrische aantrekkingskracht of kernkrachten. En: ze hebben een klein beetje massa – anders zou de donkere materie geen zwaartekracht kunnen uitoefenen.

Kortom, de deeltjes zijn ‘weakly interacting’ en (een klein beetje) ‘massive’: WIMPs dus. Het idee is verder dat ze als een wolk om, en een beetje in het melkwegstelsel hangen. De aarde, die met de zon rond het hart van het melkwegstelsel draait, zou er met een vaartje van 220 kilometer per seconde doorheen zeilen.

Maar ja, hoe toon je dat aan?

Vanmiddag gaat Alfonsi me dat laten zien. In zijn zwarte Panda schieten we de A24 op, richting Adriatische kust en dan de 11 kilometer lange tunnel in die onder de Gran Sasso doorvoert. Aan het einde ervan nemen we een afslag – uitsluitend voor LNGS-medewerkers – die meteen weer terug de tunnel invoert, richting Rome. Na vier kilometer komen we zo bij het lab dat de Italiaanse regering in de jaren 80 – “met toekomstvisie”, zegt Alfonsi – samen met de verkeerstunnel liet aanleggen.

Twee sets van vijf meter hoge, stalen toegangsdeuren vouwen open, bewakers in een kil verlicht hokje bladeren door onze papieren, en dan komen we in een lange gang waar water langs bemoste rotsen druppelt. Het lijkt wel de set van een Bondfilm. Wauw. En dit is pas het begin.

Met gele bouwvakkershelmen op lopen we even later door gangen die zo hoog en breed zijn dat trucks er met gemak doorheen kunnen rijden. En met de kou in onze kleren bezichtigen we de experimenten die in drie reusachtige, koele, ondergrondse hallen staan. Sommige bestaan uit enorme tanks gevuld met vloeistof, andere bevatten duizenden gestapelde loodblokken of houden torens van kristallen in hun hart verborgen.

Allemaal hebben ze één ding gemeen: ze wachten op onalledaagse, ongrijpbare deeltjes, zoals dus WIMPs. Juist daarom staan ze ook in het hart van de berg. Want zoals je de zachte zang van een goudhaan niet opmerkt in een kakofonie van stadsgeluid en merelgezang, zo blijven zeldzame deeltjes onzichtbaar in een meetapparaat waarin overbekende deeltjes alsmaar sporen trekken. Denk alleen al aan de talloze muonen die op aarde uitregenen als hoogenergetische deeltjes uit de kosmos (protonen) op de atmosfeer inslaan.

Die blijven in de boven ons liggende rotsen van Gran Sasso vrijwel allemaal steken. Het is dus ‘stil’ in dit lab; stiller dan op vrijwel elke andere plek op aarde.

Gran Sasso, 26 juni. “Vind je het goed als ik nog wat gegevens naloop?”, vraagt Alfonsi. We zitten weer ondergronds, in de portakabin die in een stille gang in een nis onder de rotsen staat. Op een plank registreert een teller de concentratie van het radioactieve radongas dat, zoals overal op aarde, uit de rotsen ontsnapt. Op tafel slingeren plastic handschoenen, schroevendraaiers, kabels en papieren. Er staan twee afgetrapte kantoorstoelen en achter een dun wandje staat, ook in de portakabin, het Xenon100-experiment.

Vergeleken bij de meetopstellingen in de grote hallen is Xenon100 teleurstellend klein. In het hart ervan, dat naar WIMPs ‘luistert’, zit maar 50 liter xenon (160 kilo) – in een vat dat zo op een tafel past.

Maar verder heb ik geluk, begrijp ik, want na 13 maanden zijn de metingen voorbij en is de meetopstelling tijdelijk ontmanteld. De afgelopen dagen heeft Alfonsi met collega’s aan onderdelen gesleuteld. Nu kunnen we alle apparatuur rustig van dichtbij bekijken. De glimmende cryostaat bijvoorbeeld die het xenongas vloeibaar maakt door het te koelen tot -100 graad Celsius. Hij is gemaakt van staal waarvan de (natuurlijke) radioactiviteit nauwkeurig bekend is.

Alfonsi: “We weten niet alleen in welke mijn het metaalerts is gedolven, maar ook in wat voor kuip het daarna gesmolten is, welk metaal er vlak daarvoor in diezelfde kuip gesmolten was enzovoorts.” Alleen zo kunnen de fysici tijdens de analyse achterhalen hoe meetsignalen ontstonden. Beter: of ze veroorzaakt zijn door achtergronddeeltjes (zoals radon uit de rots of radioactieve kernen in de meetapparaten) óf dat er een WIMP aan ten grondslag lag.

Het geldt telkens: storende achtergrondsignalen moeten worden ingeperkt. Daarom wordt ook de afgeschermde ruimte rond het xenonvat voortdurend doorgespoeld met stikstof. Die verdringt de gewone lucht met dat radioactieve radongas, met radioactief krypton uit bovengrondse atoomproeven en nog zo wat.

Waarom juist xenon? Als WIMPs weigeren om op gewone materie te reageren, dan hebben fysici maar één hoop, legt Alfonsi uit: dat nu en dan een WIMP toevallig tegen een atoomkern kaatst en die kern een tik geeft. Net als in gewoon biljart heeft dat het meeste effect wanneer de twee deeltjes ruwweg even zwaar zijn. Een licht balletje (of deeltje) krijgt een zware bal nu eenmaal niet makkelijk in beweging. Alfonsi: “Dus: ons apparaat is gevoelig voor WIMPs met ongeveer de massa van een xenonatoomkern, en dat is in lijn met bepaalde voorspellingen.”

Wat gebeurt er met aangetikte xenonkernen? Ze raken hun overtollige energie kwijt door botsingen met buuratomen. Dat geeft een sneeuwbaleffect want ook die buuratomen krijgen zo extra energie – die ze weer moeten kwijtraken. Dat doen ze door uv-licht uit te zenden (scintillatie). Maar het kan ook dat ze in de botsing een elektron zijn kwijtgeraakt (ionisatie). Als die elektronen en achtergebleven ionen (atoomkernen minus een elektron) elkaar hervinden, leidt ook dat tot het uitzenden van uv-licht dat met elektronische ‘ogen’ rondom het vat wordt opgepikt.

Bevlogen vertelt Alfonsi, die houdt van het sleutelen aan meetinstrumenten, met hoeveel finesse deze directe en indirecte uv-signalen in Xenon100 van elkaar worden onderscheiden. Zo stellen de fysici niet alleen de oorsprong van het signaal in het vat vast, maar bepalen ze ook de verhouding tussen scintillatie en ionisatie. Belangrijk, want die verhouding is voor WIMPs karakteristiek. Alfonsi: “De verhouding is daarmee het selectiecriterium om later in de analyse de WIMPs te onderscheiden van toevallig passerende achtergronddeeltjes, die via andere processen óók voor scintillatie zorgen, voor ionisatie, of beiden.”

Hij wijst op een kabel die door een gat in de afscherming tot vlakbij het vat kan worden gebracht. Dienstdoende fysici haken er drie avonden per week een radioactief bronnetje aan dat daarna enkele uren of een nacht bij het vat hangt: cesium, kobalt of thorium. De bronnetjes geven in het xenon dezelfde signalen als deeltjes uit de kosmos en natuurlijke radioactiviteit uit de omgeving. Zo controleren de fysici elke week hoe hun meetopstelling op zulke achtergronddeeltjes reageert – informatie die later in de analyse cruciaal is.

Hoog boven de hightech knipoogt intussen een éénogig porseleinen wenspoppetje van Alfonsi’s Chinese collega’s. Zij hebben in gedachten een wens gedaan en als die uitkomt, geven ze het poppetje zijn tweede oog, legt hij uit. “Wel mooi, zelfs al geloof je er niet in. Het toont de menselijke kant van het werk en in een menselijke omgeving werk je beter, denk ik.”

Boven Assergi zindert de zon. In het kale aircoloze kantoor zitten naast Alfonsi nog een Israëlische en een Amerikaanse postdoc. De luxaflexen zijn potdicht.

Morgenmiddag is de wekelijkse vergadering over de voortgang van de data-analyse, via skypeverbindingen met Europa, China en de VS. Er wordt vaart achter die analyse gezet, begrijp ik. Alfonsi: “Maar als je me vraagt: wat wordt de uitkomst? Dan kan ik het niet zeggen. Echt niet, want we hebben de data geblindeerd.”

Eerst proberen de fysici te doorgronden welke signalen de verschillende soorten achtergronddeeltjes in de detector geven. Dan maken ze harde afspraken over de manier waarop ze die achtergronddeeltjes wegsnijden. En pas dan, als al die afspraken zijn dichtgespijkerd, wordt de blindering opgeheven en gaat de hele set meetgegevens door de molen. Alfonsi: “Zo voorkom je dat je de data onbewust naar een gunstige uitkomst masseert.”

Hij loopt naar de naastgelegen, duistere ruimte. Daar zit de Amerikaanse onderzoeker die de analyse van de meetgegevens leidt. Hij kijkt op: “Heb je morgenmiddag resultaten?”, vraagt hij Alfonsi. Die aarzelt. Er zijn nog softwareproblemen: “Ik probeer het morgenochtend rond te krijgen.” Maar de analyseleider heeft zijn conclusie al getrokken: “Ik interpreteer dat als ‘nee’.”

Het schemert buiten. “Vergeleken met eerdere experimenten waar ik aan meewerkte is de sfeer in Gran Sasso competitiever”, zegt Alfonsi. We eten ravioli met bloemen van courgetteplanten, en natuurlijk met pecorino. Misschien wel van de schapen (pecori) die ik op de hoogvlaktes tussen de toppen van de Gran Sasso zag grazen, toen ik gisteren omhoog ging in plaats van, zoals Alfonsi, naar beneden.

Of die rivaliteit goed of slecht is? Alfonsi: “Daar heb ik geen oordeel over. Misschien heb ik dat later. Je wordt er in elk geval gedreven van.”

De competitie is niet vreemd. Wie een WIMP vindt, helpt een groot kosmisch raadsel op te lossen – en wint een Nobelprijs. En wie, véél lastiger, aantoont dat zulke deeltjes niet bestaan, maakt duidelijk dat we kennelijk de zwaartekracht niet in de vingers hebben.

18 juli, Amsterdam. Er is een artikel naar Physical Review Letters onderweg. Nee, geen WIMPs. Wel geven de fysici van Xenon100 ongekend nauwkeurig aan waar je WIMPs niet meer hoeft te zoeken. “Alsof je sleutels kwijt bent en nu zeker weet dat ze niet in de slaap- of badkamer liggen”, zegt Patrick Decowski die in Amsterdam Alfonsi’s baas is. Een mooi resultaat, maar het Chinese popje blijft nog even éénogig.