Zo’n tachtig procent van ons heelal is zoek. We weten dat er iets moet zijn, maar we zien het niet. De draaisnelheid van sterrenstelsels is veel hoger dan door de zwaartekracht van de zichtbare materie veroorzaakt kan worden. Blijkbaar bevat ons heelal materie dat óók aan sterren trekt, maar niet uit gewone atomen bestaat en onzichtbaar is voor onze telescopen. Al ruim zeventig jaar puzzelen astronomen en natuurkundigen over wat deze ‘donkere materie’ is.
Ooit was donkere materie homogeen verdeeld over het heelal (linkerplaatje), maar inmiddels bevindt donkere materie zich veelal op dezelfde plek als zichtbare materie.
Exotische deeltjes
Niet dat ze totaal geen idee hebben. Lang dacht men aan grote objecten als zwarte gaten of neutronensterren (zogenaamde massive astrophysical compact halo objects, ofwel MACHOs), die zo weinig licht geven dat onze telescopen ze amper zien. Maar inmiddels zetten de meeste kosmologen hun geld op het idee dat donkere materie een gas is van deeltjes die vrijwel geen interactie met hun omgeving hebben, beter bekend als weakly interacting massive particles, of kortweg WIMPs (een grapje: in het Engels staat een ‘wimp’ voor slappeling of lafaard).
De Zwitserse astronoom Fritz Zwicky was in 1933 de eerste die na berekeningen aan een cluster van sterrenstelsels ontdekte dat er meer materie in het heelal moet zijn dan we kunnen zien. Afbeelding: © NNDB
Maar vooralsnog weet niemand wat voor deeltje een WIMP dan precies is. Van de deeltjes die we al kennen, komt een neutrino het dichtst bij, omdat het stabiel is en niet met licht reageert. Maar helaas bewegen neutrino’s te snel om als WIMP door te gaan. Tal van nieuwe, nog niet eerder gemeten exotische deeltjes worden genoemd die de rol van WIMP kunnen vervullen, zoals deeltjes die door meerdere dimensies bewegen of zogeheten ’neutralino’s’ die in de theorieën van supersymmetrie opduiken.
Ondergronds
De enige manier om uitsluitsel te geven is om de deeltjes te meten in experimenten. Maar de kunst is om ze te vangen, want ze reageren tenslotte vrijwel nergens mee. Daarbij wordt de aarde voortdurend gebombardeerd met kosmische straling: geladen deeltjes uit de ruimte, die zorgen voor ruis op de radar. Het is alsof je op de hoek van een drukke straat een punaise probeert te horen vallen.
Daarom zoeken natuurkundigen onder andere hun toevlucht diep onder de grond, om zo min mogelijk last te hebben van achtergrondruis. Her en der in de wereld bevinden zich ondergrondse laboratoria in diepe mijnen met grote detectoren. Ze bevatten speciale superkoude kristallen. Botst een deeltje op een kristal, dan geeft het kristal een lichtflitsje af dat gemeten kan worden. De hoop van de onderzoekers is dat tussen de botsingen van deeltjes uit kosmische straling ook enkele WIMP-deeltjes te tellen zijn.
Zoektocht naar WIMPs
2003: DAMA-experiment (Gran Sasso, Italië) telt meer deeltjes in zomer dan in de winter. Scepsis heerst bij collega’s.
2008: DAMA bevestigt opnieuw een seizoensverschil in de metingen. Nu met een grotere en betere detector.
2009: CDMS-II (Minnesota, VS) telt slechts twee botsingen die geen achtergrondruis kunnen zijn. Maar kans op toeval is zo groot, dat van een serieuze meting geen sprake is.
2010: Xenon-100 (Gran Sasso, Italië) vindt na 11 dagen meten geen signaal van donkere materie.
april 2011: Xenon-100 vindt wederom niets, nu na 100 dagen te hebben gemeten.
mei 2011: CoGeNT (Minnesota, VS) meet wel deeltjes die van donkere materie kunnen zijn en, net als bij DAMA, tellen ze ook hier in de zomer meer deeltjes dan in de winter.
sept 2011: CRESST-II (Gran Sasso, Italië) telt 67 botsingen die door deeltjes uit donkere materie veroorzaakt kunnen zijn.
Seizoenen
De afgelopen jaren zijn in verschillende experimenten aanwijzingen gevonden voor deeltjes die op donkere materie kunnen duiden. Meest spraakmakend was een resultaat van het zogeheten DAMA-experiment, van het Gran Sasso National Laboratory in Italië. In 2003 zagen zij bovenop de ruis een signaal dat per seizoen varieerde: ze telden meer deeltjes in de zomer dan in de winter. Dat past op zich bij het vermoeden dat we gedurende onze draaiing om de zon in de zomer op meer donkere materie stuiten dan in de winter. Toch was er veel kritiek van collega’s, met name omdat geen ander experiment iets dergelijks waarnam.
Daar kwam begin dit jaar verandering in, toen het CoGeNT-experiment in een Amerikaanse zoutmijn in Minnesota melding maakte van een vergelijkbaar resultaat. Na 442 dagen meten zagen ook zij een seizoensvariatie in hun signaal, net als DAMA. Maar collega’s waren nog altijd niet overtuigd. Dat kwam voor een deel doordat andere grote detectoren, zoals XENON (in Gran Sasso) en CDMS-II (in Minnesota), géén signalen van WIMP-deeltjes konden ontdekken.
Tegenstrijdige metingen
Nu maakt een derde experiment melding van signalen die mogelijk door donkere materie zijn veroorzaakt. Het gaat om het zogeheten CRESST-II-experiment, in het Gran Sasso lab, dat tussen juni 2009 en april 2011 67 WIMP-achtige botsingen telde. De massa die CRESST-II aan de gemeten deeltjes toedicht komt overeen met DAMA en CoGeNT: tussen de 10 en 20 GeV (een proton weegt zo’n 1 GeV). Dat zit in het lichtere deel van de voorspelde waarden voor de massa van WIMPs van tussen 10 en 100 GeV. Dat WIMP-deeltjes lichter zijn dan gedacht, lijkt zo steeds waarschijnlijker.
Een onderdeel van de detector in het CRESST-II-experiment. De detector bestaat uit 33 van zulke ‘modules’. Afbeelding: © CRESST
De zekerheid omtrent de CRESST-II-metingen is hoog, maar de kans op een toevalstreffer kan nog niet volledig worden uitgesloten. De komende maanden wil het team meer data verzamelen om de zekerheid zo hoog te maken dat het als een officieel resultaat telt. Toch baart het onderzoekers zorgen dat XENON en CDMS in hetzelfde bereik geen signalen konden vinden. Het wekt de indruk dat ergens iets verkeerd zit. Ofwel (één van) de experimenten zijn niet goed, of onjuist geïnterpreteerd, of de WIMPs zijn complexere deeltjes dan gedacht.
Spannende tijden
Mogelijk speelt het soort kristallen in de detectoren een rol. De experimenten verschillen namelijk in het daarvoor gebruikte materiaal. CRESST bevat kristallen in een mengsel van calcium, wolfraam en zuurstof, terwijl CoGeNT met germanium werkt en XENON, zoals de naam al zegt, kristallen heeft van het zware element xenon. Mogelijk reageren WIMP-deeltjes anders met neutronen dan met protonen. Nu gaat men ervan uit dat hierin geen verschil bestaat. Dat de kristallen een verschillende verhouding van neutronen en protonen hebben zou aanleiding kunnen geven tot de tegenstrijdige resultaten.
De meeste wetenschappers dringen aan op meer data. Alleen dan kan een eind aan de verwarring komen. Die data komen er ook. Later dit jaar komt XENON met nieuwe resultaten en CRESST-II gaat op zoek naar een seizoensvariatie in de metingen. Een definitief antwoord over WIMPs laat nog even op zich wachten, maar we gaan hoe dan ook spannende tijden tegemoet. Een ongetwijfeld ‘wordt vervolgd’ dus.
Bron:
G. Angloher e.a., Results from 730 kg days of the CRESST-II Dark Matter Search, arXiv:1109.0702 (4 september 2011)
Lees meer over donkere materie op Kennislink:
