Wetenschappers vermoeden dat ze voor het eerst een glimp zouden kunnen hebben opgevangen van donkere materie. In een reusachtige detector, anderhalve kilometer onder de grond, hebben ze mogelijk een botsing opgevangen tussen een atoom en een onbekend deeltje. Maar het is nog erg onzeker of het echt om donkere materie gaat. En als dat het geval zou blijken, dan opent dat een resem nieuwe vragen.
Hebben wetenschappers een glimp opgevangen van donkere materie? "Alsof er een pakje onder de kerstboom ligt"
Vincent Merckx
Gepubliceerd:
"Ik wacht al 40 jaar op een positief resultaat", zegt Katherine Freese (University of Texas) aan de wetenschapswebsite Scientific American. "Reken dus maar dat ik zeer, zeer opgewonden ben."
Katherine Freese is een van de theoretisch natuurkundigen die betrokken zijn bij het onderzoek dat 1.480 meter onder de grond wordt uitgevoerd, in de verlaten gangen van een oude goudmijn in de Black Hills van South Dakota. Daar, in een 7 ton zware detector die gevuld is met vloeibaar xenon, werd op 16 juni 2023 om 15:22 uur een lichtflits waargenomen.
Die detector is onderdeel van het LUX-ZEPLIN-experiment en is de grootste ter wereld in zijn soort. Hij is speciaal gebouwd om sporen van donkere materie te zoeken. Het idee: als er zich een plotselinge stroom- of lichtstoot voordoet in die verzegelde tank, ver weg van elke mogelijke verstoring, dan moet het wel een spoor van donkere materie zijn. Tenminste, als je kan uitsluiten dat het niet om een gammastraal gaat, of over een ander soort ruis.
Op verschillende plekken ter wereld wordt er momenteel gezocht naar zo'n spoor. En wie als eerste kan bewijzen dat hij of zij donkere materie aan het werk heeft gezien, schrijft wetenschapsgeschiedenis.
Onverklaarbaar krachtig
Dat zit zo. De massa van sterrenstelsels die wij kunnen waarnemen, volstaat eigenlijk niet om de wervelingen die ze maken te verklaren. Ze lijken veel zwaarder te zijn. Daarom vermoeden wetenschappers al sinds de jaren 80 dat er nog veel meer materie is die wij niet kunnen zien, doordat ze geen licht uitzendt.
Die donkere materie zou zo'n 85 procent van het heelal kunnen uitmaken, en zou uit deeltjes moeten bestaan die overal om ons heen rondwervelen.
Daar dient LUX-ZEPLIN dus voor: het onzichtbare zichtbaar maken. En de onderzoekers van het project vermoeden nu dat de sensoren in de tank op 16 juni 2023 misschien wel net dat hebben vastgelegd: een botsing tussen een atoom en zo'n deeltje van donkere materie, WIMP in astronomenjargon (naar 'Weakly Interacting Massive Particles').
We hebben gewoon besloten om de waarneming te publiceren en heel, heel, heel hard na te denken over wat het zou kunnen zijn
Tom Shutt, deeltjes-astrofysicus
Probleem: die deeltjes zijn in theorie vrij traag, met een snelheid van zo'n 300 kilometer per seconde. De geregistreerde botsing, die lichtflits dus, was echter veel krachtiger dan het geval zou mogen zijn bij zulke snelheden: 248 kilo-elektronvolt in plaats van de verwachte 5 tot 55.
Omdat de waarneming ook niet te verklaren viel als achtergrondruis, besloten de onderzoekers dinsdag de gebeurtenis te melden aan de wetenschappelijke gemeenschap.
"Hoe verklaar je één enkele waarneming als deze?", vraagt de deeltjesastrofysicus Tom Shutt, die LUX-ZEPLIN mee uit de grond stampte, zich af in een artikel op de website van Science. "Daarom hebben we gewoon besloten om het te publiceren en heel, heel, heel hard na te denken over wat het zou kunnen zijn."
Nog meer soorten onzichtbare deeltjes?
De waarneming opent een hele resem nieuwe vragen. Stel, stel dat het wel degelijk om donkere materie gaat. Hoe komt het dan dat het ene deeltje dat gevonden is, dan net uitzonderlijk krachtig is? Of anders gezegd: waar zijn al die veel zwakkere deeltjes naartoe gegaan die de onderzoekers eigenlijk hadden verwacht?
Een mogelijke verklaring is dat donkere materie complexer in elkaar zit dan gedacht, of dat er nog andere soorten deeltjes bestaan die een rol hebben gespeeld bij de botsing en die we ook niet zien.
Een andere mogelijkheid is dat het om een statistisch foutje gaat. De onderzoekers, die zelf trouwens zeer voorzichtig blijven, schatten die kans 1 op 200. Dat klinkt misschien niet groot, maar het is veel te groot om al de ontdekking te kunnen claimen. Daarvoor moet de foutenmarge verkleind worden tot 1 op 3,5 miljoen.
Misschien zal de toekomst raad brengen. Er ligt immers nog een berg data te wachten op de onderzoekers. Ze hebben nog maar 1/3 van alle gegevens verwerkt. Of misschien brengt een andere, gelijkaardige detector uitsluitsel. Er staat er al eentje in Italië, en er is een andere in aanbouw in China.
Nog op de website van Science vergelijkt Wick Haxton, een theoretisch natuurkundige aan de University of California, de vondst met een pakje onder de kerstboom. "Je hoopt dat er iets leuks in zit. Hoe dan ook ben je enthousiast."
