Nieuwe fase voor zoektocht donkere materie
In de Gran Sasso – een bergmassief in het midden van Italië – zijn 135 onderzoekers uit Nederland, Duitsland, Italië, Zwitserland, Portugal, Frankrijk, Israël en de Verenigde Arabische Emiraten actief in het XENON-samenwerkingsverband. Het doel van de onderzoekers is het vinden van donkere materie, één van de vermoede basisbestanddelen van het heelal.
Wel of geen donkere materie?
Hoewel Spinoza-winnaar Erik Verlinde in het najaar van 2016 andermaal zijn theorie ontvouwde die stelt dat donkere materie een illusie is, wordt in Italië met nimmer afnemende overtuiging gezocht naar de deeltjes. Eind vorig jaar werd de nieuwste XENON-detector (XENON1T) in gebruik genomen en vandaag presenteren de onderzoekers de eerste resultaten van het meest gevoelige-materie-experiment ter wereld.
Een aardbeving op 18 januari gooide tijdelijk roet in het eten, maar niettemin heeft de detector een 30-daagse meting kunnen doen. “Met deze korte run hebben we kunnen aantonen dat XENON1T de meest gevoelige detector is. Hiermee hebben we de beste limiet wereldwijd op donkere-materie-interacties gezet,” vertelt prof. dr. Patrick Decowski van Nikhef. “Onze drie Nikhef-promovendi hebben een sleutelrol gespeeld bij het analyseren van deze resultaten.”
Mondiale voorhoede
Eén van die promovendi is Sander Breur die eerder op ScienceGuide werd geinterviewd over het onderwerp. Toen XENON in 2015 van start ging in Italië hield hij voor ScienceGuide een dagboek bij over zijn bevindingen. “Op de vraag of wij daadwerkelijk al in het komend jaar ‘donkere materie’ gaan vinden moet ik het antwoord schuldig blijven. Ik weet het gewoon niet. Maar als donkere materie inderdaad uit deeltjes bestaat, dan werken wij hier wel aan het leidende experiment ter wereld dat de grootste kans heeft die te vinden,” schreef Breur destijds.
De eerste resultaten met de nieuwe detector laten ook nog geen donkere materie zien, maar de resultaten zijn niettemin veelbelovend. “Met XENON1T is een nieuwe fase in de race om donkere materie te detecteren begonnen. We zijn er trots op dat we in de voorhoede van de race met deze geweldige detector zitten, de eerste in zijn soort,” vertelt prof. Elena Aprile van de Columbia University.
Vat gevuld met vloeibaar xenon
Wie nu in Italië op bezoek zou gaan bij XENON1T ziet alleen een gigantische cilindrische metalen tank, gevuld met zuiver water. Daarnaast staat een drie verdiepingen tellend, transparant gebouw vol met apparatuur om de detector draaiende te houden en uit te lezen. De centrale XENON1T-detector, een vat gevuld met vloeibaar xenon, is niet zichtbaar. Het zit in een cryostaat in het midden van de watertank, volledig ondergedompeld, om zoveel mogelijk afscherming te bieden van natuurlijke radioactiviteit, die door het water wordt afgevangen.
De cryostaat zorgt ervoor dat het xenon op een temperatuur van -95 °C wordt gehouden zonder het omringende water te bevriezen. De berg zorgt er voor dat het laboratorium verder is afgeschermd. Het is eigenlijk een schild tegen verstorende bronnen, met als doel dat alleen de donkere materie wordt opgevangen. Afscherming van de buitenwereld alleen is niet genoeg aangezien alle materialen op aarde kleine sporen van natuurlijke radioactiviteit bevatten.
Veel zorg is besteed om de materialen waar de detector zelf uit gemaakt is zeer zorgvuldig te selecteren, om een zo laag mogelijke radioactiviteit te bereiken. Deeltjesinteracties in vloeibaar xenon leiden tot lichtflitsjes die de XENON-wetenschappers meten en bestuderen. Verschillende soorten deeltjes zorgen voor ander type botsingen met het xenon. De lichtflitsen geven dus informatie over de positie en de energie en worden gebruikt om te bepalen of het afkomstig is van een donkere-materie-deeltje of niet.
Vierentwintig uur per dag meten
Volgens Breur zorgen de randvoorwaarden die XENON1T er in het Gran Sasso-gebergte heeft geschapen er voor dat het onderzoek mondiaal leidend is. “In tegenstelling tot andere onderzoeken waar gebruik wordt gemaakt van een paar honderd kilogram xenon, hebben wij de beschikking over 3.2 ton vloeibaar xenon. Het is voor het eerst dat een experiment op deze schaal werkend gekregen is.”
Het resultaat van die prestatie is dat XENON1T voor bepaalde massa’s en interactiesterktes kan uitsluiten dat er donkere materie aanwezig is. “We hadden niet verwacht dat we dat voor een maand aan data al konden laten zien. Inmiddels hebben we al weer honderd dagen extra aan data en blijven we bovendien vierentwintig uur per dag metingen doen. Er is een kans dat in die metingen donkere materie gevonden gaat worden.”
Het hart van de meetopstelling in Italië
