Het donkere-materie-experiment XENON in Italië meet meer activiteit in de detector dan met achtergrondstraling te verklaren is. Dat kan een indicatie zijn voor donkere materie, denken de onderzoekers van ondermeer Nikhef. ‘Maar er zijn andere heel interessante opties’, zegt Nikhef-groepsleider Patrick Decowski.
Het experiment heeft een nieuwe analyse gepubliceerd van de metingen met XENON1T in Gran Sasso, Italië, in de jaren 2016-2018 waarin die detector diep onder de grond actief was. Inmiddels wordt de detector uitgebreid met een groter vat vloeibaar xenon, het materiaal waarop eventuele donkere-materiedeeltjes uit de kosmos zouden kunnen botsen.
Donkere materie is een van de raadsels van de hedendaagse natuurkunde. Astronomen weten dat ongeveer 85 procent van alle massa in sterrenstelsels niet te zien is, maar wel zwaartekracht geeft. Wat dat veroorzaakt is onbekend. In theorie zouden dat onbekende deeltjes kunnen zijn die verder nauwelijks deeltjesinteractie hebben met andere materie, zoals WIMP’s.
Als een WIMP een xenonatoom raakt komt er in theorie licht en elektronen vrij die in de detector kunnen worden waargenomen. Ook andere processen kunnen zulke signalen veroorzaken, een achtergrondsignaal waarmee de onderzoekers rekening moeten houden.
In de meetperiode 2016-2018 werden 232 gebeurtenissen in de detector verwacht op grond van bekende achtergrondprocessen. Die werden gevonden door te kijken naar deeltjesinteracties met elektronen in de xenon-atomen. Voorheen ging de analyse om een botsing met xenon-kernen.
Het XENON-team meldt nu in een voorpublicatie online op Arxiv dat er 53 extra gebeurtenissen zijn vastgelegd. Dat is niet reusachtig veel, maar statistisch wel relevant.
Het signaal heeft niet de juiste kenmerken voor kosmische WIMP’s, denken de onderzoekers. Dat maakt het des te belangrijker om de echte bron van het overschot aan te wijzen.
Een mogelijkheid is de aanwezigheid van een minieme hoeveelheid radioactief tritium in de ruim 3 ton xenon in de detector, ondanks alle zuiveringsstappen in het project. ‘We kunnen dit niet onafhankelijk meten en dus niet uitsluiten’, zegt Decowski. Naar schatting een paar honderd atomen tritium per ton xenon kunnen al roet in het eten gooien.
Maar er zijn ook spannender verklaringen denkbaar, zegt het XENON-team. Het zou ook een aanwijzing kunnen zijn voor een echt nieuw deeltje. Het energiespectrum van de gevonden inslagen lijkt op dat van zogeheten axionen, deeltjes die volgens sommige hypotheses een rol spelen in de nucleaire processen in de zon. Dat kan samenhangen met donkere materie, maar hun bestaan zou hoe dan ook theoretisch belangrijk zijn. Tot nog toe zijn axionen nooit in een experiment gezien.
Een andere mogelijke verklaring voor de extra signalen zouden treffers van neutrino’s kunnen zijn, spookdeeltjes uit de kosmos die ongehinderd met miljarden tegelijk dwars door elk mensenlijf vliegen. Voor het gevonden signaal zouden die een groter magnetisch moment moeten hebben dan tot nog toe in de theorie wordt aangenomen. Ook dat zou een opwindend resultaat zijn, zegt Decowski.
Het gevonden overschot past het beste bij het idee dat het om zonne-axionen gaat. De afwijking is in dat geval 3,5 sigma groot, wat statistisch betekent dat er ongeveer 0,0002 procent kans is dat het puur toeval is. In de natuurkunde is dat nog te veel om van een ontdekking te spreken. De neutrino-hypothese is nog net iets minder verdedigbaar.
De XENON-collaboratie verwacht met de nieuwe drie keer grotere XENON-detector de komende jaren meer en betere metingen te gaan doen, ook omdat de achtergrond in dat apparaat lager zal zijn. Dan moet duidelijk worden of het nu gevonden extra signaal standhoudt, of toch een toevallige uitschieter blijkt. Nikhef-onderzoeker Auke Pieter Colijn is technisch coördinator van de aanleg van XENONnT op Gran Sasso.