Dit jaar wordt mogelijk het mysterie van donkere materie opgelost

Donkere materie Mogelijk wordt in 2018 het mysterie van het spookdeeltje opgelost. Een stroom aan metingen wordt geanalyseerd.

Donkere materie is een van de grootste onopgeloste problemen van de natuurkunde. Alle bekende materie beslaat maar vijftien procent van de totaal berekende massa in het heelal. Vijfentachtig procent is kwijt. De meest waarschijnlijke verklaring lijkt een onzichtbaar deeltje dat geen licht uitzendt of absorbeert: donkere materie. Dit mysterieuze spookdeeltje heeft massa, maar is niet te detecteren met licht of andere elektromagnetische straling.

Er wordt al jaren naar gezocht. Tevergeefs. Zal 2018 hier verandering in brengen? Een stroom van metingen die in 2017 zijn gedaan met een waaier aan detectiemethoden, wordt dit jaar geanalyseerd. Misschien zit daar de eerste detectie van donkeremateriedeeltje tussen.

De eerste aanwijzing voor donkere materie komt uit de jaren 30. Astronomen bestudeerden de snelheid waarmee sterrenstelsels in clusters ronddraaien. De sterrenstelsels aan de rand van de clusters bleken veel sneller om het centrum te draaien dan verwacht. Om die hoge rotatiesnelheid te verklaren, moet er veel meer massa aanwezig zijn dan de astronomen zien in de vorm van bekende materie: sterren, planeten, gas en zwarte gaten. Pas in de jaren 70 toonde de Amerikaanse astronoom Vera Rubin onomstotelijk aan dat er onzichtbare massa is in het heelal – door heel nauwkeurig de rotatiesnelheid van sterren in sterrenstelsels te meten.

XENON1T

De meest directe manier om te zoeken naar donkere materie is te wachten op botsingen tussen donkeremateriedeeltjes en atoomkernen. Deze botsingen zijn extreem zeldzaam, maar als het gebeurt ontstaat er een meetbaar lichtflitsje. Het XENON1T experiment, diep in een berg in Gran Sasso in Italië, zoekt naar die botsingen in een vat vloeibaar xenon. Xenon, vooral bekend van xenonlampen, heeft een hoge dichtheid en de atoomkernen zijn groot. Dat vergroot de kans op een botsing.

„Voor XENON1T wordt 2018 een spannend jaar”, vertelt hoogleraar Patrick Decowski, programmaleider Donkere Materie aan onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. ,,We hebben in 2017 veel data verzameld die we dit jaar gaan bekijken. Als die data geanalyseerd zijn, zijn we in één klap voorloper in de wereld.”

Donkere materie maken

Verder is ook de grootste deeltjesversneller ter wereld, de Large Hadron Collider (LHC) in Geneve, waar in 2012 het beroemde Higgsdeeltje gevonden werd, op zoek naar donkere materie. In de protonenbotsingen, kunnen namelijk donkeremateriedeeltjes ontstaan. „De detectoren van de LHC kunnen de donkere materie niet direct waarnemen”, vertelt Wouter Verkerke van Nikhef. „Daarom zoeken we naar botsingen waar we een impulsonbalans zien.”

Volgens de wet van behoud van impuls moet na een botsing de totale impuls (een combinatie van snelheid en massa) van alle deeltjes die bijvoorbeeld naar rechts vliegen even groot zijn als de totale impuls naar links. Als er aan een kant meer impuls gezien wordt, is er een onbalans. „Dat kan erop wijzen dat er ondetecteerbare donkeremateriedeeltjes gemaakt zijn.” Maar er zijn ook andere deeltjes die niet gedetecteerd kunnen worden, zoals neutrino’s. „Dat maakt het een lastige puzzel.”

Onderzoekers ontwikkelen analysemethoden die de vingerafdrukken die de verschillende onzichtbare deeltjes achterlaten in de detectoren kunnen herkennen en onderscheiden. „Het afgelopen jaar is veel vooruitgang geboekt met deze analysemethoden”, vertelt Verkerke.

KiDS

Afgelopen jaar zijn ook de eerste resultaten gepubliceerd van de Kilo Degree Survey (KiDS), waarbij de donkere materie in een groot deel van het heelal in kaart wordt gebracht. Omdat donkere materie massa heeft, kan een wolk donkere materie het licht van sterrenstelsels die erachter liggen, verbuigen. Dankzij deze lenswerking van de zwaartekracht verraadt het verbogen licht van de sterrenstelsels de aanwezigheid van de materie.

„Zo kunnen we de eigenschappen van donkere materie op grote schaal bestuderen”, vertelt hoogleraar Koen Kuijken van de Sterrenwacht Leiden. „In de metingen van afgelopen jaar zagen we een kleine variatie die we niet hadden verwacht. Analyse in 2018 zal moeten uitwijzen of het een statistische fluctuatie was of dat we nieuwe fysica op het spoor zijn.”

Raadselachtig overschot

„Een veelbelovende hint van donkere materie vind ik de metingen van de Fermi Gamma-ray ruimtetelescoop”, zegt astrodeeltjesfysicus Christoph Weniger van de Universiteit van Amsterdam. Deze satelliet zag in 2009 een raadselachtig overschot aan gammastraling die uit het centrum van de Melkweg komt. De straling heeft precies de kenmerken die verwacht worden van gammastraling die ontstaat als twee donkere materiedeeltjes botsen en elkaar vernietigen. Een grote, gelijkmatig verdeelde hoeveelheid extreem snel ronddraaiende neutronensterren (millisecondepulsars) is de enige andere plausibele manier om de observatie te verklaren.

MOND en Verlinde

Hoewel een onbekend deeltje de meest waarschijnlijke verklaring voor de observaties lijkt, zijn er ook fysici die werken aan theorieën zonder donkere materie. Zij denken dat de wetten van de zwaartekracht, zoals beschreven door Newton en Einstein, op grote schaal niet kloppen. Dit soort alternatieve zwaartekrachttheorieën, zoals MOND (modified Newtonian dynamics) en de emergente zwaartekracht van Erik Verlinde, staan nog in de kinderschoenen.

Voorlopig zijn de donkere materiejagers niet van plan de hoop op te geven. „Dat we het nog niet gezien hebben, betekent niet dat het er niet is”, zegt Verkerke. „Maar de natuur moet wel aardig voor ons zijn en een deeltje gemaakt hebben dat we kunnen detecteren”, voegt Weniger eraan toe.