Waaruit bestaat donkere materie?

De ontdekking van donkere materie heeft het model van het universum kloppend gemaakt. Maar niemand weet waaruit die materie bestaat. Uit donkere deeltjes allicht. Maar of de mens die ooit kan meten?

Foto NASA

Je zou denken dat het vrij zorgelijk is als 95 procent van je onderzoeksobject onder je handen verdwijnt. Helemaal als dat onderzoeksobject het universum is. Maar voor kosmologen, die dat de laatste decennia overkomen is, ligt het een beetje anders.

In 1998 raakte ruim tweederde van het universum zoek. Toen werd duidelijk dat het heelal versneld uitdijt – en nog steeds is volslagen duister welk mechanisme de energie levert voor dat versnelde oprekken van de ruimte. Helder is slechts dat deze ‘donkere energie’ ruim tweederde van het heelal moet uitmaken. „Het was de grootste verrassing van de afgelopen decennia”, zegt de Leidse kosmoloog en hoogleraar Ana Achúcarro.

De raadselachtige ontdekking kwam bovenop de talloze aanwijzingen voor een mysterieuze materievorm die ongeveer acht keer zo talrijk moet zijn als de ‘bekende’ materie waarvan sterren, planeten en grote nevels in de ruimte zijn gemaakt. In zwaartekrachtslenzen, in sterrenstelsels en in clusters van sterrenstelsels: overal zien astronomen de zwaartekrachtsinvloeden van deze ‘donkere materie’ die verder juist volkomen onzichtbaar blijft (anders: totaal ongevoelig is voor licht).

De donkere materie liet zelfs sporen na in de kosmische achtergrondstraling – ofwel in ‘de gloed van de oerknal’ die dit voorjaar door de Europese Planck-satelliet in kaart werd gebracht. Op de balans van de kosmos draagt de donkere materie ruim een kwart bij, wezen die precisiemetingen uit. „En al een eeuw stemmen alle aanwijzingen die we voor donkere materie vinden, overeen”, zegt Achúcarro.

„Maar het verbazingwekkendst”, zegt zij, „is dat de donkere materie, samen met die onverwachte donkere energie, ons model van de kosmos juist kloppend maakt.” Met andere woorden: neem je simpelweg aan dat donkere materie en donkere energie bestaan – zonder je af te vragen waaruit ze bestaan – dan vallen de andere puzzelstukjes van het heelal op hun plek. „Dan is het verhaal van de evolutie van de kosmos, van vlak na de oerknal tot nu, eindelijk consistent. Verder volstaat dan de standaardfysica uit de leerboeken.”

Maar vragen blijven. Zodra je probeert die donkere materie en energie te doorgronden, en ze met de quantummechanica en de algemene relativiteitstheorie in verband probeert te brengen, kom je in de problemen. Achúcarro: „Kijk, die donkere energie kunnen we voor het gemak voorlopig wel beschrijven met een extra ‘kosmologische constante’ in de vergelijkingen. Maar die donkere materie... Daar willen we echt aanknopingspunten voor vinden.”

Niks gezien

En zo komt Achúcarro bij wat zij het schokkendst vindt van de afgelopen jaren: het gebrek aan nieuwe vondsten. „Zelfs bij de zware LHC-versneller op Cern hebben we niks gezien – geen nieuwe deeltjes, geen nieuwe fenomenen die wijzen hoe we verder moeten. Het Higgsdeeltje is opgedoken, en dat was dat.”

En toch... toch moet in elk geval ook die donkere materie uit deeltjes bestaan, denken bijna alle experts. Achúcarro zelf durft er bijna haar huis om te verwedden. „Maar hoe die deeltjes er dan uitzien? Je moet mijn Leidse collega Alexey Boyarsky bellen. Hij is een wereldexpert op dit terrein.”

Aan de telefoon neemt Boyarsky, uit Oekraïne en nu universitair hoofddocent in Leiden, een lange aanloop. Hij begint met de deeltjesfysica van een eeuw geleden. Kort samengevat: er was een vraag. Het antwoord was een deeltje. Dat riep nieuwe vragen op, die leidden tot de vondst van nieuwe deeltjes. En zo verder.

Tot vorig jaar. Toen vormde de vondst van het Higgsdeeltje het sluitstuk van het ‘standaardmodel’ dat de bouwsteentjes van de (bekende) materie beschrijft, en waren de wezenlijke vragen beantwoord.

Maar: er zijn nog wel losse eindjes, zegt hij en hij somt ze op. Eén: waarom bestaan er überhaupt sterren en planeten? Ofwel: waarom hebben materie en antimaterie, die na de oerknal toch in gelijke mate ontstonden, elkaar daarna niet volledig vernietigd, zoals je zou verwachten?

Twee: waarom hebben neutrino’s, de raadselachtigste deeltjes uit het standaardmodel, een beetje massa terwijl ze dat wegens symmetrieoverwegingen helemaal niet mogen hebben?

En drie: wat is die donkere materie?

Inderdaad, bevestigt Boyarsky: „Veel fysici en kosmologen dachten dat de ontdekking van de Higgs zou samenvallen met de vondst van andere nieuwe deeltjes. Die zouden dan antwoord geven op één van deze vragen – of misschien zelfs op al deze vragen in samenhang.”

Maar nee. En al even stil blijft het in de detectoren die als ‘luisterende oren’ de zeldzame signalen van donkere deeltjes uit het heelal proberen op te pikken. In het James-Bond-achtige laboratorium diep in de rotsen van het Italiaanse Gran Sasso-gebergte bijvoorbeeld. Of juist hoog in de ruimte, waar het AMS-experiment op het internationale ruimtestation ISS ook alsmaar niets vindt.

„De zoektocht is intussen big industry geworden”, zegt Boyarsky. En hij heeft wel een idee waarom al die bedrijvigheid niks oplevert. Het achterliggende idee is helder, zegt hij. Donkeremateriedeeltjes zwerven, als ze bestaan, ook in ons zonnestelsel rond. Onze aarde zou dus, cirkelend rond de zon, door een donkeremateriesoep heen zeilen. En ja, dan valt te verwachten dat soms een deeltje uit die soep in de detectoren zal opduiken. Maar: „Al deze experimenten zijn gevoelig voor één type donkeremateriedeeltje. En misschien is dat wel het verkeerde type.”

Feit is dat de theorie geen keiharde voorspellingen doet voor de massa en energie van donkere materiedeeltjes. Zijn ze licht, met weinig energie (keV)? Of zijn ze juist betrekkelijk ‘zwaar’ en energierijk (GeV)?

Dat laatste, gokten veel onderzoekers. Waren deze deeltjes licht, zo was hun redenatie, dan zouden ze eerder al zijn ontstaan in de deeltjesbotsingen in kleinere deeltjesversnellers.

Ofwel: alleen een krachtige deeltjesbotser, zoals de LHC, kon deze, kennelijk zware, deeltjes voortbrengen. En daarop voortbordurend: zulke zware deeltjes zouden zichzelf ook kunnen verraden als ze, héél af en toe, in de met vloeistof gevulde ondergrondse vaten in Italië en elders botsten tegen een atoomkern – en die atoomkern daarmee een meetbaar ‘zetje’ gaven.

Niet dus.

Nóg sporadischer dan gedacht

Intussen volgde Boyarsky een ander pad. Tien jaar geleden sloot hij zich aan bij een klein groepje theoretisch fysici in Lausanne. „Wij denken dat de donkere materiedeeltjes wél licht zijn en vrij weinig energie dragen. En dat ze bij kleinere versnellers niet ontstonden, verklaren we door te veronderstellen dat ze nóg sporadischer dan gedacht met ‘gewone’ materie in wisselwerking treden.”

In zo’n geval heb je niks aan vloeistofvaten of enorme versnellers die deeltjesbundels tot steeds hogere energieën opstuwen. Wat je wél nodig hebt, zijn kleinere versnellers die superintense bundels van deeltjes produceren. „Hoe hoger de intensiteit, hoe meer kans dat je een licht donkeremateriedeeltje kunt maken.” Nog iets: „Je kunt zulke bundels gemakkelijk produceren in de kleine, al oude SPS-versneller op Cern.”

Zelfs in de ruimte zou je dit type deeltje moeten kunnen opsporen, mede doordat het daar een karakteristieke signatuur achterlaat wanneer het er, alweer héél sporadisch, vervalt. „Er zijn nu groepen bezig allerlei oude data nog eens onder de loep te nemen.” Boyarsky’s naam staat bij verschillende voorstellen voor zulke onderzoeken – en „het enthousiasme daarvoor is de laatste jaren enorm gegroeid”.

„Het lijkt me ook onze enige hoop”, vervolgt Boyarsky. „Het andere, veel pessimistischer scenario is dat donkere materie bestaat uit iets principieel onmeetbaars. Dan zou de wetenschap de grens bereikt hebben waarachter voorgoed onbekend, want niet te verkennen, terrein ligt.”

Maar eerst moeten alle opties worden onderzocht, vindt ook collega Achúcarro. En als de nieuwe experimenten geen aanwijzing geven, helpt dieper nadenken misschien nog – over die donkere materie, al dan niet in samenhang met donkere energie.

Het geeft Achúcarro het gevoel, zegt zij, dat er onderhuids van alles broeit. Dat een doorbraak om de hoek ligt, maar dat niemand weet waar precies. „Deze tijd doet me denken aan de vroege twintigste eeuw toen de relativiteitstheorie en de quantummechanica er nog niet waren, maar wel rijpten.”