Donkere materie is een door kosmologen bedachte substantie die het heelal dat we zien moet verklaren. Sterrenstelsels draaien sneller en materie klontert meer samen dan we op basis van de zwaartekracht van de zichtbare materie verwachten. Er moet dus extra, onzichtbare spul zijn. Iets dat geen licht uitzendt – vandaar de naam donkere materie – en niet reageert met normale materie. Donkere materie beslaat meer dan tachtig procent van alle materie in het heelal – een serieus probleem dus.

Een artistieke impressie van de Melkweg met daaromheen een blauwe waas die de mysterieuze donkere materie voorstelt.

ESO/L. Calçada via CC BY 3.0

ESO/L. Calçada via CC BY 3.0

Slappeling

Veel natuurkundigen denken dat donkere materie bestaat uit lichte, elementaire deeltjes die nauwelijks een interactie aangaan met andere deeltjes, zogenaamde WIMPs (weakly interacting massive particles; de afkorting is Engels voor ‘slappeling’). Deze zouden, vergelijkbaar met neutrino’s, voortdurend door ons en de aarde heen vliegen, zonder dat we het merken. Echter, een experiment dat gevoelig genoeg is zou ze moeten kunnen meten.

Vandaar dat er een aantal detectoren ter wereld zijn die, diep onder de grond om zo min mogelijk last te hebben van verstoringen, speuren naar deze deeltjes. Eén daarvan is het Xenon100-experiment, in een 1400 meter diepe mijn van het Gran Sasso-lab onder de Apennijnen. De detector bevat een vat met 62 kilogram vloeibaar xenon. Zou een WIMP-deeltje op zo’n zwaar atoom botsen, dan komt een lichtflitsje vrij waaruit de onderzoekers de eigenschappen van het deeltje kunnen bepalen. Maar na 225 dagen meten blijkt de score nul komma nul.

Kosmische straling uit de ruimte (1) bombardeert de aarde, maar komt vrijwel niet door de kilometer dikke rots heen. De WIMP-deeltjes (2) wel en bereiken zo de detector. Daar kunnen ze met een xenon-atoom reageren, met een lichtflitsje tot gevolg (3). Ook komen hierbij elektronen vrij die door een elektrisch veld (4) naar de bovenkant van de tank worden geleid. Hier creëren de elektronen ook een lichtflits (5). Uit de twee lichtflitsen kunnen de onderzoeken bepalen welk deeltje ze hebben gemeten.

XENON Dark Matter Project

Grenzen ingeperkt

Vorig jaar hadden de onderzoekers na 100 dagen meten in 2010 ook al een blanco resultaat gepresenteerd. Intussen is de gevoeligheid 3,5 keer beter geworden, maar ook na twee keer zoveel data in 2011 en 2012 wil er geen WIMP-deeltje opduiken in de metingen. Alhoewel, het team maakt melding van twee zogeheten events, maar die vallen weg in de achtergrondruis van kosmische straling. Het maakt de mogelijke detectie van WIMP-deeltjes door andere detectoren vorig jaar in ieder geval een stuk minder waarschijnlijk.

Het onderzoek naar het Higgsdeeltje dat vrij waarschijnlijk in de LHC lijkt aangetoond, zou ook meer aanwijzingen voor donkere materie aan het licht kunnen brengen.

CERN

CERN

Betekent dit dat de theorie van WIMP-deeltjes in de prullenbak kan? Nee, dat nog niet. Het betekent dat de deeltjes, áls ze bestaan, lichter zijn dan men dacht of moeilijker zijn te vinden. Kortom, het team heeft de grenzen van de zoektocht verder ingeperkt. Vergelijk het met de zoektocht naar het Higgsdeeltje door de LHC, waar ook een steeds groter deel van de mogelijke massa werd uitgesloten. De zoektocht naar WIMP-deeltjes zal dus doorgaan. Met de Xenon100, die volgens de onderzoekers nog een tandje gevoeliger zal kunnen meten. Verder is ook de opvolger al aangekondigd, de Xenon1T, die met ruim twee ton aan xenon nog meer kans maakt de deeltjes te vinden.

Als ze dán geen spoor van de deeltjes vinden, wordt het tijd om serieus andere theorieën over donkere materie te overwegen. Supersymmetrie is bijvoorbeeld ook een optie. Deze theorie zegt dat elk elementair deeltje een ‘superpartner’ heeft, welke door zouden kunnen gaan als WIMP-achtige deeltjes. Maar vooralsnog is ook van supersymmetrie nog geen spoor gevonden. Het Higgs-achtige deeltje dat onlangs in de LHC werd aangetoond, zou hier mogelijk aanwijzingen – en indirect dus voor donkere materie – voor kunnen geven.

Lees meer over donkere materie op Wetenschap24:

• De ontdekking van donkere materie
• Het verborgen heelal (Labyrint TV)