Donkere materie houdt zich nog verborgen voor detector

Natuurkunde

De gevoeligste detector ter wereld, Xenon1T, zoekt al 279 dagen tevergeefs naar donkere deeltjes. Fysici geven de hoop niet op.

De Xenon1T-installatie in het ondergrondse laboratorium van Gran Sasso. Naast het vat met xenon staat een gebouwtje van drie verdiepingen hoog.Foto Roberto Corrieri and Patrick De Perio, XENON Collaboration

Het meest gevoelige donkerematerie-experiment ter wereld presenteerde maandagochtend nieuwe resultaten. De verwachtingen onder natuurkundigen waren hooggespannen. Maar na 279 dagen meten heeft het Xenon1T-experiment niets gevonden. Donkere materie blijft verborgen.

Donkeremateriedeeltjes zijn vooralsnog de meest waarschijnlijke verklaring voor de missende massa die nodig is om bijvoorbeeld de gemeten draaisnelheid van sterrenstelsels te verklaren. Wetenschappers denken dat er in het universum vijf keer meer donkere materie voorkomt dan bekende materie. Maar omdat die donkere materie geen licht uitzendt of weerkaatst, is het extreem lastig te detecteren.

Het Xenon1T experiment zoekt naar donkere materie met een vat vol vloeibaar xenon, diep onder de grond in Gran Sasso in Italië. Als een donkermateriedeeltje door het vat vliegt en botst met een xenonatoom ontstaat er een piepklein, maar meetbaar, lichtflitsje.

Maar donkere materie is niet het enige dat die lichtflitsjes kan veroorzaken. Ook radioactieve straling, afkomstig van gesteente of metaal van de detector, kan botsingen veroorzaken. Het vat xenon hangt daarom in een bak met water die de meeste straling tegenhoudt. De rest van de achtergrondruis wordt uit de metingen gehaald met slimme analysetechnieken. Zo berekenen de onderzoekers hoeveel achtergrondflitsjes er te verwachten zijn. Worden er veel meer gezien, dan kan dat donkere materie zijn.

De nieuwe resultaten van Xenon1T „komen overeen met de verwachting van alleen achtergrondruis in de detector”, vertelt hoogleraar Patrick Decowski, programmaleider donkere materie aan onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam en nauw betrokken bij Xenon1T. „We hadden de hoop dat we iets zouden zien, maar ook als er geen signaal is, moet je de resultaten bekendmaken.”

De onderzoekers geven de hoop nog lang niet op. „De detector doet het voortreffelijk en de metingen gaan door”, zegt Decowski. „We weten niet hoe de natuur in elkaar steekt. Misschien bestaat donkere materie uit deeltjes die minder vaak met xenonatomen botsen dan we dachten, bijvoorbeeld omdat ze lichter zijn.” Er werd gezocht naar deeltjes die zwaarder zijn dan vijf waterstofatomen. De zoeksstrategieën worden nu aangepast om ook lichtere deeltjes te kunnen meten.

Bij de Xenon1T-presentatie die gehouden werd bij Cern in Genève was het duidelijk dat er reikhalzend uitgekeken werd naar de resultaten. Het was de drukst bezochte seminar van dit jaar. „Geen signaal, maar mooie metingen.”, zegt deeltjesfysicus Tristan du Pree van het Nikhef, die op Cern werkt. „Het is een belangrijke test voor donkere materie.”

Tijdens de presentatie bleek er toch een klein beetje hoop voor donkere materie: er werden iets meer lichtflitsjes gezien dan verwacht op basis van de achtergrondruis. Waarschijnlijk valt het binnen de statistische fluctuaties, „maar een optimist zou zeggen dat dit wellicht de eerste hint van donkeremateriedeeltjes is”, zegt Du Pree.

Andere wetenschappers keken uit naar de resultaten van Xenon1T, maar de meesten verwachtten geen ontdekken. Dat bleek ook uit een Twitter-poll die Du Pree voor de bekendmaking hield. Slechts 10 procent van de 105 stemmers dacht dat er een ‘> 3 sigma event’ gemeld zou worden. Dat is natuurkundigentaal voor een meting die zó zeker is dat het een ontdekking genoemd mag worden.

    • Dorine Schenk