Alles klaar voor eerste dark matter run in Gran Sasso
In mei legden UvA-onderzoekers in het Italiaanse Gran Sasso de laatste hand aan een installatie waarmee ze donkere materie hopen te vinden; onzichtbare stof waaruit 85 procent van de massa van het heelal zou bestaan. Toen begon het bijstellen van de machine, een proces dat maanden zou duren. Nu is het eindelijk zover: ‘De eerste dark matter run is van start’.
Diep onder de grond, in de bergen van het nationaal park Gran Sasso in Italië ligt een laboratorium. Daar hangt een met de hand gemaakte silo, een tank waar vloeibaar xenongas in zit. Met collega’s van een internationaal samenwerkingsverband van deeltjesfysici zal hoogleraar natuurkunde Patrick Decowski daar twee jaar lang naar onzichtbare donkeremateriedeeltjes zoeken.
Als een donkeremateriedeeltje met een xenondeeltje botst, zal er een lichtflitsje ontstaan, dat wordt waargenomen door een van de lichtsensoren boven in de tank.
Folia bracht eind mei samen met Decowski een bezoek aan het ondergrondse laboratorium. Decowski was nog druk bezig met het bijstellen van de meetapparatuur – een proces dat maanden in beslag zou kunnen nemen. Het doel was om steeds preciezer de verschillende lichtflitsjes van elkaar te kunnen onderscheiden, om uiteindelijk het nauwkeurigste experiment ter wereld te hebben.
Kalibreren
‘Na een maand hebben we al heel wat,’ zei Decowski. ‘Dan is de concurrentie verpulverd.’ Maar de onderzoeksgroep ging door met kalibreren, om zo precies mogelijk te kunnen meten. De wetenschappers zetten pakketjes radioactief materiaal naast de silo om te kijken hoe dat het signaal zou veranderen dat door de lichtsensoren werd waargenomen. Zo kunnen ze straks, als het experiment echt van start gaat, eventuele botsing met radioactieve deeltjes van de botsingen met donkere materie onderscheiden.
In het xenongas zelf kan ook nog wat radioactieve straling zitten. Dat hebben ze er de afgelopen maanden door een destillatieproces zoveel mogelijk uit proberen te halen. ‘Het xenon dat we nu hebben is vijfhonderd keer schoner dan toen we het gekocht hadden,’ zegt Decowski.
En dan hebben ze ook metingen gedaan nadat ze neutronen door het xenongas hebben laten gaan. Daarmee bootsten ze de botsing tussen donkere materie en xenongas na. Beide botsingen geven namelijk hetzelfde lichtflitsje, verwachten de onderzoekers. Maar neutronen kunnen door een silo met water, die om de silo met xenongas heen zit, gemakkelijk worden tegengehouden.
‘Het is zover,’ zegt Patrick Decowski per telefoon vanaf zijn werkkamer op het Amsterdamse Science Park. Nikhef-collega Auke Pieter Colijn zal deze kerst de eerste ‘dark matter run’ coördineren. Hij zal gedurende een maand verantwoordelijk zijn voor de dagelijkse gang van zaken rond de silo. Het is kortom afwachten op de eerste resultaten.
(De tekst loopt door onder de foto.)
Transparant
Natuurkundigen weten al decennia dat de wetten van Newton en Einstein niet helemaal voldoen om de werking van zwaartekracht te verklaren. Volgens de wetten van Einstein zou de snelheid waarmee hemellichamen om een ster draaiden evenredig moeten afnemen met de afstand waarmee ze van die ster afstaan, maar dat is niet zo. En dus moet er een ander stofje zijn dat het overschot aan zwaartekracht verklaart: donkere materie.
Niemand heeft de donkere materie ooit gezien, want als het bestaat, dan is het transparant, zeggen vooraanstaande natuurkundigen. En dat maakt het volgens enkele sceptici meteen ongeloofwaardig. Volgens de Amsterdamse theoretisch natuurkundige Erik Verlinde bijvoorbeeld. Hij zei kort na aanvang van het experiment tegen Folia dat hij denkt dat Decowski en zijn collega’s niks zullen vinden. ‘Ik ben er honderd procent van overtuigd dat het niet zal gebeuren.’ In plaats van er een stofje bij te denken, moeten natuurkundigen proberen de regels van de zwaartekracht beter te begrijpen, denkt Verlinde.
Uitsluiten
Verlinde publiceerde in november zelf een theorie met een alternatief voor donkere materie. In Verlindes theorie bestaat het heelal uit stukjes informatie. De zwaartekracht komt voort uit veranderingen in de informatieverdeling: het vervallen van atomen, of een planeet die van plek verandert. Daardoor staan de infobits die de informatiekaart van het heelal beschrijven in een andere volgorde. Die herschikking is wat wij waarnemen als zwaartekracht.
Tegen Folia zegt Verlinde dat hij blij was dat Decowski en zijn collega’s met hun experiment naar donkere materie begonnen was. ‘Als ze denken dat er een deeltje is en ze zoeken niet, dan blijft die optie bestaan.’ Hij hoopt dat door het experiment de mogelijkheid dat donkere materie bestaat zal worden uitgesloten – waardoor zijn eigen theorie weer meer steun krijgt.
Eindelijk
Patrick Decowski zegt op zijn beurt blij te zijn dat Erik Verlinde zijn theorie heeft gepubliceerd. ‘Hij had wat vertraging. Nu begint een lang wetenschappelijk traject. Zijn theorie zal nu door collega-wetenschappers aandachtig bestudeerd kunnen worden.’ Donkere materie is nog steeds de meest aannemelijke oplossing voor de problemen in de theorie van Einstein, denkt Decowski. Maar hij staat als wetenschapper open voor andere ideeën.
Intussen is hij begonnen zijn met de voorbereiding van een experiment dat tien keer gevoeliger is dan het huidige; dat tien keer scherper een botsing van xenon met donkere materie waar kan nemen. ‘Als het huidige experiment niets oplevert, dan kan donkere materie alsnog met het nieuwe experiment worden waargenomen.’
