Groot succes: 16 miljoen keer niks

Donkerematerieonderzoek

Het Xenon1T-experiment is klaar om geheimzinnige donkere materie te meten. Alle foutmeldingen zijn eruit gevist.

De bovenkant van de Xenon1T-tijdsprojectiekamer, met alle meetkabels. Foto Xenon Dark Matter Project

Het Xenon1T donkere-materie-experiment zoekt pas een maand naar de mysterieuze donkeremateriedeeltjes en nu al blijkt het het meeste gevoelige experiment ter wereld. Het grote succes na de eerste meting van Xenon1T is dat nu zeker is dat van de 16 miljoen in het experiment gevonden lichtflitsjes geen enkele door donkere materie is veroorzaakt. Zo gaat dat in de natuurkunde: alles is nu klaar voor dat ene flitsje dat wél door de geheimzinnige donkere materie wordt veroorzaakt en dus ook betrouwbaar gemeten kan worden. De resultaten verschenen op de voorpublicatiesite ArXiv.

Donkeremateriedeeltjes zijn de waarschijnlijkste oplossing voor de massa die lijkt te ontbreken in het universum. Natuurkundigen denken dat de hypothetische deeltjes in groten getale voorkomen, maar hebben ze nog nooit gezien. „We verwachten dat alleen al door je duimnagel ongeveer honderdduizend donkeremateriedeeltjes per seconde vliegen”, zegt hoogleraar Patrick Decowski. Hij is programmaleider donkere materie aan onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam en nauw betrokken bij het experiment. Helaas moest al na 34 dagen het onderzoek, dat zich afspeelt in een vat met ruim 800 liter vloeibaar xenon, worden stilgelegd. Een aardbeving gooide roet in het eten. Toch vestigden de onderzoekers een nieuw record. „Onze drie Nikhef-promovendi hebben een sleutelrol gespeeld bij het analyseren van de resultaten”, zegt Decowski.

Assemblage van de Xenon1T-tijdsprojectiekamer, het hart van de donkeremateriedetector. Foto Enrico Sacchetti

Drie maanden waren de onderzoekers van plan te gaan meten. Na vijf jaar bouwen en testen was de detector eindelijk klaar voor het echte werk. Maar er kon maar 34,2 dagen gemeten worden. Toen op 18 januari de grond begon te trillen, moesten ze noodgedwongen stoppen. „Na de aardbeving was het spannend”, vertelt promovendus Sander Breur. „We konden een paar dagen het experiment niet bereiken door enorme sneeuwval.” Er bleek geen grote schade. Na twee weken deed alles het weer. De onderzoekers besloten de metingen van de eerste maand vast te bekijken.

Om de data zo snel mogelijk te kunnen duiden, sloten de onderzoekers zich vier weken lang op in een kamer op de Universiteit van Chicago. Daar werkten ze zes dagen per week aan het analyseren van de metingen. Op de laatste dag werden alle berekeningen naast elkaar gelegd. Sander Breur: „We waren moe, maar ook ontzettend blij. Alles bleek te kloppen. De detector werkt goed en we begrijpen wat we zien.”

Ze vonden nog geen donkere materie, maar braken dus wel records. Met hun dertigdaagse meting waren ze beter dan een 400-daagse meting van LUX, hiervoor de meeste gevoelige donkere materie detector.

Donkere deeltjes

Het Xenon1T-experiment bevindt zich op 1.400 meter onder de grond in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië. Met de detector zoeken wetenschappers naar donkere materie, een mysterieus goedje waar ruim tachtig procent van alle materie in het heelal uit moet bestaan. In theorie althans, want donkeremateriedeeltjes, die wel massa hebben, maar geen elektromagnetische lading, zijn nog nooit gezien. Toch denken de meeste natuurkundigen dat ze bestaan. Hun aanwezigheid is nodig om de beweging van sterren en sterrenstelsels te verklaren. Er zijn theoretici, zoals de Nederlandse hoogleraar Erik Verlinde, die denken dat de bewegingen ook verklaard kunnen worden zonder het bestaan van de donkeremateriedeeltjes. Zij stellen alternatieve zwaartekrachtswetten voor. Hun modellen verklaren de bewegingen van de hemellichamen voorlopig echter minder goed dan de theoretische donkeremateriedeeltjes. De Nederlandse astronoom Jacobus Kapteyn gaf de mysterieuze materie in 1922 de naam donkere materie, omdat het geen licht weerkaatst of uitstraalt, waardoor we het niet kunnen zien.

Xenondetector

De detector waarmee in de Italiaanse bergen naar donkere deeltjes gezocht wordt, bestaat uit een cilindervormig vat met een diameter van 1 meter en hoogte van ruim 1 meter. Het vat is gevuld met 3.200 kilogram vloeibaar xenon. Het edelgas xenon, vooral bekend van xenonlampen, is een bijzonder kostbaar materiaal, een kilogram ervan kost meer dan 1.000 euro – ongeveer twee keer zo duur als zilver. Xenon is geschikt voor donkerematerie-experimenten doordat het een hoge dichtheid heeft en de atoomkernen groot zijn. Dit vergroot de kans dat een donkeremateriedeeltje tegen een xenonatoom aan botst als hij door het vat vliegt. En dat is precies waar de onderzoekers op hopen.

„Als een donkeremateriedeeltje tegen een xenonatoomkern aanbotst krijgt die een zetje”, legt promovendus Jelle Aalbers uit. Die beweegt dan door het vloeibare xenon heen en geeft omliggende atomen ook een duw. Daardoor worden de atoomkernen even uit hun elektronenwolk geslagen en raken de atomen in een zogenoemde aangeslagen toestand. Als ze weer tot rust komen, zenden de atomen een lichtflitsje uit. Die lichtflitsjes worden opgevangen door lichtsensoren aan de boven-en onderkant van het vat. Zo maakt een onzichtbaar donkeremateriedeeltje zich kenbaar door een flits van licht.

„Maar donkeremateriedeeltjes zijn niet de enige die een lichtflits kunnen veroorzaken”, voegt Jelle Aalbers toe. Ook radioactieve straling uit het omliggende gesteente of uit het metaal waar de detector uit is opgebouwd, kan ongewenste verstoringen geven. Het vat met xenon hangt daarom in een bak zuiver water, dat een deel van de straling tegenhoudt. Ten slotte worden alle lichtflitsjes die niet afkomstig zijn van donkere materie, de achtergrondruis, uit de data gefilterd door slimme analysemethodes. Veel van de computercode daarvoor is ontwikkeld op het Nikhef.

Dankzij die analysemethodes kunnen de onderzoekers met grote zekerheid zeggen dat de 16 miljoen lichtflitsjes uit de eerste 34,2 dagen data allemaal niet afkomstig zijn van donkere materie. „Het is alsof we Waar is Wally gespeeld hebben met heel Nederland”, zegt Jelle Aalbers. „En we weten nu zeker dat Wally niet in Nederland is.”

Als de onderzoekers een jaar aan data hebben, wordt het echt spannend.