De twee grote concurrerende experimenten die tot nog toe jaagden op donkere-materiedeeltjes slaan de handen ineen voor een volgende stap. Deze week publiceren het Amerikaanse LUX-ZEPLIN en Europese XENON een gezamenlijk memorandum of understanding.
De overeenkomst geeft een nieuwe impuls aan de plannen die er al waren voor DARWIN, een grotere detector voor donkere-materiedeeltjes, zogeheten WIMPs. Dat project zou 40-50 ton vloeibaar xenon gebruiken om botsingen met donkere-materie te vinden. LUX-ZEPLIN (LZ) en XENON gebruiken beide enkele tonnen xenon.
Donkere materie vormt ongeveer 85 procent van alle materie in het universum, maar waaruit het bestaat is een raadsel. Experimenten als XENON in Gran Sasso en LZ in de VS vonden tot nog toe geen deeltjes, en geven alleen grenzen aan de eigenschappen van eventuele donkere-materiedeeltjes.
De nieuwe detector zou ergens na 2027 gestalte kunnen krijgen, zegt Patrick Decowski van de Dark Matter groep van Nikhef in Amsterdam. Hij is een van de ondertekenaars van de overeenkomst, samen met zijn collega’s Auke-Pieter Colijn en Tina Pollmann. Waar de nu nog naamloze nieuwe detector wordt gebouwd, is nog niet beslist.
In xenon-detectoren voor donkere materie speuren sensoren rondom het xenonvolume naar lichtflitsjes en elektronen die vrijkomen als een onbekend deeltje op een zwaar xenonatoom botst. De detectoren staan diep ondergronds om geen last te hebben van andere kosmische straling; XENON bevindt zich in Italië onder een kilometer graniet van de berg Gran Sasso, LZ in een oude mijn in South Dakota.
De 40-50 ton vloeibaar xenon in de nieuwe detector geeft volgens berekeningen tienmaal meer gevoeligheid voor donkere materie. LZ en XENON vonden tot nog toe geen donkere materie, maar konden wel grenzen stellen aan de eigenschappen van WIMPs. De nieuwe detector is een volgende stap in de speurtocht, zegt Decowski.
Behalve voor donkere materie kan de detector ook worden gebruikt om andere zeldzame natuurkundige processen te bekijken. Zo zal er worden gezocht naar axionen van de zon, deeltjes die in theorie kunnen bestaan maar nooit zijn waargenomen. Daarnaast staat ook neutrinoloos dubbel-bètaverval op het programma, dat op nieuwe natuurkunde zou duiden. Ook zal DARWIN neutrino’s van de zon en supernova’s kunnen waarnemen.
De afgelopen jaren is de xenondetector op Gran Sasso met grote inzet van Nikhef uitgebreid van 3,5 naar 8,5 ton vloeibaar xenon. De nieuwe XENONnT detector zal naar verwachting dit jaar weer in bedrijf komen voor de jacht op donkere materiedeeltjes. Het instrument leverde de scherpste grenzen tot nog toe aan de eigenschappen van zulke WIMPs.