De jacht op het donkere deeltje

Beeld AFP

Donkere materie, fysici zijn ervan overtuigd dat het bestaat. Elke seconde vliegen miljarden donkere deeltjes door hun lichaam, maar ze hebben er nog nooit een te pakken gekregen.

Tien jaar geeft Patrick Decowski zichzelf nog. Dan moet de zoektocht succes hebben opgeleverd. Anders stopt hij ermee. "Over tien jaar hebben we de grens bereikt van wat we kunnen meten. Als de donkere materie zich dan nog niet aan ons getoond heeft, zal ze altijd verborgen blijven in de achtergrondruis. Dat zou zeer frustrerend zijn. De theorie zegt dat ze er moet zijn, maar ja, als we haar niet kunnen aantonen, houdt het op."

De bewijzen stapelen zich op. De meeste wetenschappers gaan er dan ook van uit dat donkere materie bestaat. Sterker nog, ze zijn ervan overtuigd dat het een dominante factor is in het heelal: 85 procent van de materie is donker. De dynamiek van het universum wordt bepaald door materie die zich niet laat zien. Zichtbare massa's, zoals zon of aarde, zijn slechts het schuim dat op de koppen van deze donkere golven beweegt.

"Donkere materie manifesteert zich op alle lengteschalen", zegt Decowski, die werkt op het Nikhef, het instituut voor deeltjesfysica in Amsterdam. "Niet alleen in sterrenstelsels, maar ook in clusters van stelsels. En zelfs in nog grotere ruimtestructuren. Ik ben een deeltjesfysicus. Dan wil ik weten: wat is het?"

Wat kan het zijn?
Je kunt beter vragen: wat is het niet? Het donkere-materiedeeltje mag allerlei eigenschappen niet hebben. Anders had het zich allang laten zien. Het heeft eigenlijk alleen massa, het moet rijkelijk aanwezig zijn in het heelal en het moet behoorlijk stabiel zijn - het speelde ook een rol bij de oerknal en gaat dus al 13,8 miljard jaar mee.

Toen bekend werd dat het neutrino massa had, leek dat een geschikte kandidaat. Het voldoet aan alle voorwaarden, maar Decowski streept het af - en met hem de meeste fysici. "Het neutrino is te vluchtig. Donkere materie zorgde in de begintijd van het heelal voor structuur. Massa's klonterden waardoor sterren en sterrenstelsels konden ontstaan. Die klontering had echter tijd nodig en die gunnen neutrino's zichzelf niet. Die schieten met bijna de snelheid van het licht weg."

Nee, Decowski weet het zeker. Mocht hij ooit een donker materiedeeltje vinden, dan is dat iets fundamenteel nieuws. Iets dat niet in het zogeheten Standaard Model zit. Dat theoretische fundament van de natuurkunde verbindt de bekende krachten en bouwstenen van de natuur, zoals quarks, elektronen en ook neutrino's. "Ook het lang gezochte Higgs-boson hoort gewoon bij het Standaard Model. Maar dat donkere deeltje dus niet."

Hoe zoek je naar zo'n onzichtbaar deeltje?
Er zijn drie opties. Je kunt het proberen direct op te sporen, je kunt naar sporen van zo'n deeltje zoeken of je probeert er zelf een te maken.

Dat laatste gebeurt in deeltjesversnellers zoals de LHC in Genève. Eigenlijk is dat gek. In de LHC botsen protonen. Dat is zichtbare materie uit het Standaard Model; uit die botsingen zouden alleen standaard-deeltjes kunnen ontstaan.

Het Standaard Model heeft een paar eigenaardigheden, zegt Decowski. Rafelrandjes. "Er zijn theorieën die de losse eindjes aan elkaar knopen. Supersymmetrie bijvoorbeeld, of extra dimensies. En daar horen weer deeltjes bij. Het lichtste supersymmetrische deeltje, het neutralino, heeft de goede eigenschappen, dus dat zou een geschikt donker deeltje zijn." Maar helaas, voorlopig zijn supersymmetrische deeltjes nog een brug te ver voor de LHC.

Optie twee: sporen zoeken. Begin april meldde een groot consortium van wetenschappers dat ze restanten hadden gezien van de botsing van twee donkere deeltjes. Eigenlijk zeiden ze het heel voorzichtig: hun detector, de AMS die hangt aan het internationale ruimtestation, had signalen opgevangen 'die duidden op nieuwe fysica'.

Maar de boodschap was duidelijk: een bewijs van donkere materie. Het gaf enige ophef, maar niet in het wereldje zelf. Decowski: "In mijn vakgebied gelooft niemand dat dit een bewijs is. Het is een bevestiging van eerdere resultaten, maar het finale bewijs dat het een donker deeltje is, ontbreekt nog steeds. Dit signaal kan ook afkomstig zijn van een pulsar, een snel ronddraaiende neutronenster."

Direct opsporen dan maar?
Dat is wat de groep van Decowski doet, en een stuk of tien andere groepen in de wereld. Op het eerste oog lijkt het de eenvoudigste route. De Melkweg is vergeven van de donkere materie. De aarde raast met een slordige 220 kilometer per seconde door die soep heen. Dat moet toch eens een voltreffer opleveren, ook al schieten de donkere deeltje normaal gesproken overal doorheen. Decowski: "We kunnen uitrekenen dat elke seconde zo'n miljard donkere deeltjes door ons lichaam vliegen."

Probleem is dat je zo'n treffer moet zien te scheiden van andere processen. Daarom zitten al die groepen ondergronds. De groep van Decowski heeft zijn detector 1200 meter onder de grond geplaatst, in een grot van de Gran Sasso, een berg in de buurt van Rome. Maar ook in en om de detector zelf, de Xenon-100, moeten alle stoorzenders zijn verwijderd of afgeschermd.

Neem bijvoorbeeld radioactiviteit. Dat is overal, zegt Decowski. Een banaan heeft al een activiteit van 15 Becquerel, 15 vervalsreacties per seconde. "Onze detector is zo zuiver, die kent gemiddeld één vervalsreactie per jaar."

Ze lieten de detector een jaar lang gegevens verzamelen en analyseerden het resultaat, behalve in het gebiedje waar ze botsingen met donkere materie verwachtten. "Zo kregen we een goed beeld van alle stoorzenders en konden we een filter maken dat volkomen neutraal al die stoorzenders eruit zeefde."

Toen kon het luikje open en konden ze de computer laten analyseren en filteren of er in dat ene gebiedje iets met donkere materie was gebeurd. Dat was in een paar minuten bekeken. "Ik kan wel zeggen dat het de spannendste minuten uit mijn leven waren. De computer tekende voor onze ogen zijn analyse uit. We verwachtten één piekje vanwege dat verval. Voor donkere materie hadden we er meer nodig."

Het werden er twee. "Dat kon nog gewoon toeval zijn. Anders gezegd: deze meetreeks heeft uitgesloten dat donkere materie met de gevoeligheid van onze detector kan worden gemeten."

En dan te bedenken dat de Xenon-100 te boek stond als de gevoeligste detector op aarde. Zo gevoelig dat de onderzoekers een oordeel kunnen vellen over de resultaten van anderen. "Twee maanden geleden meldde een Amerikaanse groep in een vergelijkbaar experiment dat ze drie piekjes hadden gezien waar ze er slechts 0.7 verwachtten. Dat is meer dan toevallig, maar nog geen bewijs. Het werd - wetenschappelijk heel correct - gebracht als een dubbeltje op zijn kant, maar voor ons is het duidelijk. Als zij echt een donker deeltje hebben gezien, hadden wij er 220 moeten registreren. Niet dus."

Eindigt de zoektocht hier?
Geen nood, er is een nieuwe generatie detectoren in aantocht. Zo moet de Xenon-1T, die honderd keer gevoeliger is dan zijn voorganger, in 2015 gaan draaien. En mochten de donkere deeltjes ook hier ongestoord doorheen suizen, dan is er nog Darwin. Deze ultieme detector ligt nu nog op de tekentafel maar zou over tien jaar in actie kunnen komen. Ook als de Xenon-1T in zijn missie is geslaagd. Want Decowski wil niet één bewijs voor donkere materie, hij wil vele donkere deeltjes zodat hij met statistiek kan analyseren welke eigenschappen ze hebben.

Maar als Darwin niets vindt, is het einde oefening.
"Ja, dan krijgen neutrino's van de zon de overhand. Die kunnen we niet afschermen, dus dan heeft het geen zin meer om nog gevoeligere detectoren te ontwerpen."

Maar Decowski wanhoopt nog niet. Hij vergelijkt de zoektocht met de geschiedenis van het neutrino. "In 1911 constateerde Lise Meitner een probleem met het radioactief verval van atoomkernen, in 1930 opperde Wolfgang Pauli het bestaan van neutrino's - die zouden het probleem verhelpen - maar pas in 1955 werd het deeltje ook echt ontdekt. Die geschiedenis geeft mij de kracht om nog tien jaar door te zoeken. Trouwens, als we bewijzen dat zo'n deeltje niet bestaat, hebben we ook iets. De proef van Michelson en Morley die aantoonde dat de ether niet bestond, legde de basis voor de relativiteitstheorie van Einstein. Ik zou best de Michelson van de donkere materie willen zijn."

De detector is opgesteld in een grot onder de Gran Sasso, in de Apennijnen. De grot is een zijgrot van een autotunnel. De 1200 meter dikke rotslaag beschermt de detector tegen invloeden van buitenaf, zoals kosmische straling.

 
Over tien jaar hebben we de grens bereikt van wat we kunnen meten. Als de donkerematerie zich dan nog niet aan ons getoond heeft, blijft ze altijd verborgen.
De detector is opgesteld in een grot onder de Gran Sasso, in de Apennijnen. De grot is een zijgrot van een autotunnel. De 1200 meter dikke rotslaag beschermt de detector tegen invloeden van buitenaf, zoals kosmische straling.

De olifant in de kamer van de astronomie
Het was een Nederlander die in 1932 als eerste opperde dat het heelal meer massa herbergde dan zichtbaar was. Maar de berekeningen van Jan Hendrik Oort deugden niet helemaal en daarom gaat de eer meestal naar de Zwitser Fritz Zwicky, die een jaar later zag dat groepen sterrenstelsels sneller bewogen dan hij op grond van de wetten van de zwaartekracht verwachtte.

Die wetten klopten niet of er trokken onzichtbare massa's mee. Zwicky koos voor het laatste. Er is daar meer massa dan wij zien.

Lange tijd bleef de donkere materie de olifant in de kamer van de astronomie. Iedereen zag het probleem maar leek het te negeren. Totdat de Amerikaanse Vera Rubin begin jaren zeventig aantoonde dat spiraalstelsels, zoals onze eigen Melkweg, veel te hard ronddraaien. Althans, de zichtbare massa - sterren en stofwolken - is niet voldoende om alles bijeen te houden. Er is nog eens zes keer zoveel donkere materie nodig om te voorkomen dat het stelsel een groot deel van zijn sterren de ruimte in slingert.

Sindsdien kwam de bewijsvoering goed op gang en tegenwoordig is er nauwelijks meer een wetenschapper te vinden die zijn geld op een andere verklaring zet. Het kan wel, met wat aanpassingen in de wetten van Newton en Einstein bijvoorbeeld, maar omdat de donkere materie zich op niveaus doet gelden - van sterrenstelsels tot de Oerknal - zijn het allemaal verschillende ad hoc aanpassingen. Met de donkere materie is het in één klap verklaard.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden