Wetenschappers achter het _Super Cryogenic Dark Matter Search_-experiment (SuperCDMS) laten weten dat ze een deeltje op het spoor zijn dat wel eens de lang gezochte donkere materie kan zijn.
Nadat begin deze maand al hoopvolle berichten verschenen van het team van de AMS-detector, lijkt het net om donkere materie zich nu ietsjes steviger te sluiten. In het kamp van deeltjesdetector SuperCDMS zegt men aanwijzingen te hebben gevonden voor het bestaan van een deeltje dat voldoet aan de beschrijving van zogenoemde WIMP’s. Deze vermeende Weakly Interacting Massive Particles zouden slechts zelden een interactie aangaan met normale materie en zijn kandidaat nummer één om door te gaan voor donkere materie.
Interacties van donkere materie-deeltjes zouden in dit soort silicium schijven gedetecteerd zijn.
Texas A&M UniversityDe wetenschappers melden dat de deeltjes zijn gedetecteerd met een zekerheid van 99,8 procent. Vrijwel iedereen zou dan de kurk al van de champagne-fles laten springen, maar betrokken deeltjesfysici laten in een persbericht weten dat er nog zeker geen sprake is van een ontdekking. ‘Met deze zekerheid heb je op zijn hoogst een aanwijzing dat je beet hebt.’
Een strenge regel in de deeltjesfysica stelt dat er pas gesproken kan worden van een ontdekking als er een zekerheid van minimaal 99,9999 procent gehaald is. Dat betekent dat als je het experiment een miljoen keer zou herhalen, je gemiddeld slechts één keer een foute conclusie zou trekken. Deze mate van zekerheid werd vorig jaar bijvoorbeeld ook gehanteerd voor de ontdekking van het Higgsdeeltje en ook de WIMP’s zullen daar aan moeten voldoen.
Oude data
De aanwijzingen voor het bestaan van WIMP’s werden gevonden in een dataset die al jaren bestaat. De detector waarmee ze werd gemeten is zelfs al weer afgebroken voor de opbouw van de volgende, betere detector.
De reden dat de wetenschappers ‘oude’ data onder de loep namen is dat ze geïnteresseerd zijn in het vinden van lichte WIMP’s, en die zouden bij uitstek met deze oude detector gevonden kunnen worden. Na het grondig doorspitten van alle data bleken er inderdaad drie keer een proces plaats te hebben gevonden in de detector dat veroorzaakt kan zijn door interacties met donkere materie.
Wat is donkere materie?
Het bestaan van donkere materie is onder andere af te leiden uit de draaisnelheid van sterrenstelsels. Astronomen zien ze namelijk veel sneller ronddraaien dan ze op basis van de aanwezige zichtbare materie kunnen verklaren. De buitenste sterren zouden eigenlijk uit het sterrenstelsel geslingerd moeten worden. Dat doen ze niet en daarom wordt gedacht dat er zich stiekem veel meer materie in sterrenstelsels zit dan zichtbaar is.
Volgens de laatste schattingen zou het universum voor 26,8 procent gevuld zou zijn met donkere materie, daar tegenover staat slechts 4,9 procent ‘normale materie’ waar jij, ik en de zichtbare wereld om ons heen uit zijn opgebouwd. De overige pakweg 70 procent van het universum zou gevuld zijn met donkere energie, een zo mogelijk nog mysterieuzere substantie, die verantwoordelijk wordt gehouden voor de versnelde uitdijing van het heelal.
Dit sterrenstelsel leverde een bewijs voor donkere materie.
NASA, X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Lensing, CC By 2.0Slappeling onder de grond
Zoals hun Engelse naam al suggereert reageren WIMP’s (wat in die taal ook gelezen kan worden als ‘slappeling’) nauwelijks met andere materie. En dat maakt de zoektocht extreem lastig, want hoe zie je een deeltje dat niet gezien wil worden?
Om ze toch te vinden zijn er over de hele wereld detectors opgezet. Zo ook CDMS, waarmee de eerste experimenten al tien jaar geleden plaatsvonden. In deze experimenten wordt gebruik gemaakt van een detector van halfgeleidend materiaal dat tot vlak boven het absolute nulpunt is gekoeld.
Het idee is dat passerende WIMP’s die toevallig een atoomkern in het materiaal raken voor meetbare trillingen en verplaatsingen van lading zorgen. En hoewel zo’n gebeurtenis vrij zeldzaam is, zou het een kwestie van tijd zijn om het bestaan van WIMP’s uiteindelijk via deze methode te bevestigen.
Een van de tunnels van de Soudan-mijn, waar tegenwoordig niet meer naar ijzer wordt gezocht maar onbekende elementaire deeltjes.
Jon 'ShakataGaNai' Davis via CC BY 3.0Het lastige van deze experimenten is het onderscheiden van interacties van de vermeende WIMP’s en signalen afkomstig van toevallige reacties met andere (bekende) deeltjes. Om deze achtergrondruis te minimaliseren vinden de experimenten een kleine kilometer onder de grond plaats in een oude mijn in de Amerikaanse staat Minnesota. Ze zijn daar ver weggestopt van storende invloeden van buitenaf, zoals kosmische straling.
Verdere zoektocht
De vlag voor de ontdekking van WIMP’s is tot nu toe nog niet uitgegaan. In de tien jaar dat er nu wordt gemeten zijn er vaker dan eens interacties gemeten, maar men heeft nooit met zekerheid kunnen vaststellen dat het om WIMP’s ging. Ook andere detectors slaagden daar tot nu toe nog niet in.
Momenteel ondergaat het CDMS-experiment een upgrade waardoor de detector nog gevoeliger wordt. Daarmee kunnen de wetenschappers in de komende jaren hopelijk de aanwijzing die ze nu hebben omzetten in de echte ontdekking van donkere materie.
http://www.youtube.com/watch?v=WjTrs9IHMl0