53 lichtflitsjes mogelijk eerste teken van donkere materie

Natuurkunde Donkere materie is door natuurkundigen voorspeld, maar nooit waargenomen. 53 flitsjes in een xenonvat zijn mogelijk het eerste teken.

Technici installeren een onderdeel van het xenonvat van het Xenon1T-experiment, 1.400 meter onder de aarde. Foto Xenon1T.org
Technici installeren een onderdeel van het xenonvat van het Xenon1T-experiment, 1.400 meter onder de aarde.

Foto Xenon1T.org

Bij het donkerematerie-experiment Xenon1T zijn 53 lichtflitsjes gezien die niet direct te verklaren zijn. Het zijn misschien wel de eerste tekenen van niet eerder gemeten donkeremateriedeeltjes. Maar het is natuurlijk ook mogelijk dat de flitsjes veroorzaakt zijn door andere interessante natuurkundige verschijnselen. In een artikel dat woensdagavond verschijnt op voorpublicatiesite ArXiv vergelijken de fysici hun metingen met verschillende theoretische verklaringen.

Het Xenon1T-experiment bestaat uit een vat gevuld met 3.200 kilogram van het vloeibare edelgas xenon dat zich 1.400 meter onder de grond bevindt in Gran Sasso in Italië. Hiermee hopen onderzoekers voorspelde donkeremateriedeeltjes te vangen.

Donkere materie is nog niet eerder waargenomen en wordt donker genoemd omdat het geen licht uitzendt of absorbeert, maar wel massa heeft. Donkere materie zou het raadsel kunnen oplossen waarom er massa lijkt te ontbreken in het heelal. Zonder die extra massa zijn de bewegingen van sterren en sterrenstelsels niet te verklaren.

Lees ook: De jacht op donkere materie

Wereldwijd wordt gezocht naar deze mysterieuze, hypothetische deeltjes. Bij het Xenon1T-experiment hopen onderzoekers een zeldzame botsing van een donkeremateriedeeltje met een xenonatoom waar te nemen. Bij zo’n botsing kan een piepklein lichtflitsje ontstaan dat de honderden lichtdetectoren in het xenon-vat opvangen.

Maar zulke lichtflitsjes kunnen ook veroorzaakt worden door radioactieve straling uit de wand van het vat, het gesteente rondom de detector of vervuiling in het xenon. Al die achtergrondruis wordt nauwkeurig uit de metingen gefilterd.

53 spannende flitsjes

De onderzoekers keken naar 200 dagen aan metingen die gedaan zijn tussen 2016 en 2018. In die meetperiode zagen ze 285 lichtflitsjes waarvan er 232 verklaard konden worden door de aanwezige achtergrondruis. „We zien er dus 53 meer dan verwacht”, zegt hoogleraar Patrick Decowski, van onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam en nauw betrokken bij het Xenon1T-experiment. „Dat is niet veel, maar het is een spannend resultaat, want we weten nog niet wat die flitsjes heeft veroorzaakt.”

De fysici vergeleken drie verschillende theoretische verklaringen voor het flitsjesoverschot. De meest banale verklaring is de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid radioactief tritium in het vloeibare xenon. „Eén tritiumatoom per kilogram xenon is genoeg om de metingen te verklaren”, zegt Decowski. „Maar onze detector is zo schoon, dat we eigenlijk verwachten dat er veel minder tritium in de detector zit.”

De twee andere verklaringen zijn spannender, zegt Decowski. Misschien ontstaan de flitsjes door neutrino’s, kosmische spookdeeltjes die in grote hoeveelheden bijna ongehinderd door de aarde vliegen. Om de meting te verklaren moet een magnetische eigenschap van die neutrino’s anders zijn dan de huidige theorie voorspelt. „Dat zou interessant zijn omdat het duidt op nieuwe, onbekende natuurkunde”, zegt Decowski.

Twee vliegen in een klap

Ten slotte zou het overschot verklaard kunnen worden door zonne-axionen. Volgens sommige theorieën kunnen deze deeltjes, die nog nooit gezien zijn, ontstaan bij nucleaire processen in de zon. Bovendien zijn axionen, die op een vergelijkbare manier ontstaan kunnen zijn vlak na de oerknal, een donkeremateriekandidaat. „Zonne-axionen zouden een mooie verklaring zijn”, zegt Decowski. „Ik vind het een van de meest waarschijnlijke donkeremateriekandidaten en daarnaast bieden ze een verklaring voor een ander, complex vraagstuk uit de deeltjesfysica. De ontdekking van axionen zou twee vliegen in een klap betekenen.”

De Xenon1T-metingen zijn niet goed genoeg om de vlag uit te hangen voor axionen. „Ik zou er geen weddenschap op durven afsluiten”, zegt hoogleraar Auke Pieter Colijn, eveneens van Nikhef. „Ik heb in de deeltjesfysica vaker veelbelovende resultaten gezien die verdwenen bij meer metingen. Of er zit inderdaad meer tritium in ons xenonvat dan we denken.”

Xenon1T zal die nodige vervolgmetingen niet uitvoeren. De detector wordt op dit moment vervangen door de drie keer grotere XenonnT. Ondanks de coronamaatregelen gaat de bouw gestaag door en vanaf dit najaar moet deze detector meer en betere metingen gaan doen. „Als alles goed gaat, dan kunnen we binnen een paar maanden zien of tritium het overschot verklaart of dat er iets spannends aan de hand is”, zegt Colijn, technisch coördinator van XenonnT.