Niks meer missen?
Schrijf je in voor onze nieuwsbrief!
Foto: Smithsonian Institution
wetenschap

‘Donkere materie moeten we niet in de ruimte, maar in de aarde zoeken’

Sanne Mariani,
11 december 2019 - 15:11

Als natuurkundigen of sterrenkundigen een schatting maken van alle massa in het heelal, komen ze op een veel te laag getal uit. Al jarenlang wordt er daarom gezocht naar extra materie in het heelal: zogenaamde donkere materie. Zo ook door UvA-promovendus Thomas Edwards (27), die voorstelt om niet in de ruimte, maar in de grond te zoeken.

Even kort. Wat is donkere materie?

‘Er lijkt niet genoeg zichtbare massa te zijn om de grootte van de zwaartekracht die sterrenstelsels in de Melkweg op elkaar uitoefenen te kunnen verklaren. Als alle zichtbare massa in acht wordt genomen, zou de zwaartekracht vele malen kleiner moeten zijn. Vandaar dat het vermoeden is ontstaan dat er extra materie is. Veel fenomenen in het universum kunnen alleen verklaard worden als er een extra deeltje wordt opgenomen in de berekeningen: een deeltje dat geen interacties aangaat met normale materie. Donkere materie is namelijk niet hetzelfde als de materie waar een menselijk lichaam of een tafel uit bestaat. De materie kan overal doorheen bewegen. Sinds 1930 zijn wetenschappers op zoek naar donkere materie. Volgens theorieën zou het heelal er voor bijna 85 procent uit bestaan. Door het volgen van de bewegingen van sterren die dichtbij aarde staan, kunnen we de hoeveelheid donkere materie dichtbij ons voorspellen. De schatting is dat er ongeveer zoveel donkere materie is dat er bijna tienduizend deeltjes per seconde door je lichaam gaan.’

Foto: Thomas Edwards

Je hebt vier jaar lang onderzoek gedaan bij het Gravitation en AstroParticle Physics Amsterdam (GRAPPA) instituut op Science Park. En, is de missende massa gevonden?

‘We hebben niet direct gezocht naar donkere materie, maar naar manieren om donkere materie te kunnen detecteren. De deeltjes zijn vermoedelijk namelijk overal om ons heen. De hypothese is dat de aarde zich bevindt in een groot “bad” van donkere materie, een halo. De deeltjes bewegen constant door ons lichaam en door de aarde, maar laten het daarbij onaangetast. Daarom zijn ze zo moeilijk waar te nemen. En toch kan er soms een signaal worden opgevangen, wanneer donkere materie zich door de aarde beweegt. Er zijn experimenten geweest die mogelijk een signaal van donkere materie hebben opgepikt. Maar veel resultaten spreken elkaar tegen of kunnen op meerdere manieren worden uitgelegd.’

 

‘Veel gesteente is miljoenen jaren oud en is gedurende hun hele levensduur blootgesteld aan de invloeden van donkere materie’
Kosmische straling...

... is een verzamelterm voor deeltjes die zich tussen alle hemellichamen in het heelal bevinden. Kosmische straling is schadelijk voor leven op aarde, maar de aardatmosfeer zorgt ervoor dat het grootste deel van deze straling het aardoppervlak niet bereikt.

Met je onderzoek doe je een theoretisch voorstel om naar gesteente in de aarde te kijken om donkere materie te vinden. Hoe werkt dat precies?

‘Stenen zijn opgebouwd uit zouten en mineralen. Deze vormen kristalstructuren. Maar als er neutronen of andere deeltjes door stenen bewegen, verandert dit de structuren van de kristallijnen. Dat zijn maar enkele nanometers aan veranderingen, maar je kunt dit alsnog waarnemen. Veel gesteente is miljoenen jaren oud en is gedurende zijn hele levensduur blootgesteld aan de invloeden van donkere materie. De kristalstructuur van dat gesteente kan ons dus veel vertellen. Gesteente zou daarom mogelijk kunnen worden gebruikt om signalen van donkere materie te ontdekken: paleo-detectoren. Door te zoeken naar afwijkingen in de steen structuur, kunnen we zoeken naar historische bewijzen van donkere materie die de aarde passeren. Het gebruik van een paleo-detector bestaat momenteel alleen nog in theorie, maar er zijn al experimenten gaande om dit op te zetten.’

 

Volgens jouw onderzoek kunnen we het beste dieper dan zes kilometer in de aarde te kijken. Waarom?

‘Normaal gesproken is er veel kosmische straling. Deze kosmische straling heeft ook invloed op de kristalstructuur van gesteente, en verstoort daarmee het signaal van de donkere materie. Maar onder de grond, dieper dan zes kilometer naar beneden, kan kosmische straling niet komen. Als je daar een signaal vindt in het gesteente, is het aannemelijker dat het om donkere materie gaat.’

‘Neutronen zijn neutrale deeltjes die overal doorheen kunnen, net zoals donkere materie’

Diep in de grond naar gesteente kijken: probleem opgelost, zou je denken. Laat de zoektocht beginnen.

‘Er is één probleem. In gesteente worden ook veel neutronen geproduceerd. Neutronen zijn neutrale deeltjes die overal doorheen kunnen, net zoals donkere materie. Ze ontstaan in gesteente door het verval van uranium. Hoe ouder de stenen, hoe meer uranium er is vervallen en hoe meer neutronen in het gesteente aanwezig zijn. De kunst is om het signaal van neutronen en kosmische straling zo minimaal mogelijk te maken, zodat we andere veranderingen in de steenstructuur kunnen waarnemen. Dit heb ik onderzocht.’

 

En hoe kan je die signalen van kosmische straling, neutronen of donkere materie in gesteente dan van elkaar onderscheiden?

‘In nieuwer gesteente is de kristalstructuur pas net gevormd en heeft er nog geen verval van uranium plaatsgevonden. Hierin zitten minder neutronen. Je zou dus gesteente van verschillende leeftijden met elkaar kunnen vergelijken, om zo in kaart te brengen welke structuurveranderingen in het kristal zijn veroorzaakt door neutronen, en welke zijn veroorzaakt door de donkere materie. Het is namelijk bijna onmogelijk, dat het niet bestaat.’

Lees meer over