Het XENON-experiment op Gran Sasso in Italië is bedoeld om donkere materie te vangen: raadselachtig onzichtbare deeltjes die de overdaad aan zwaartekracht in het heelal zouden verklaren. Nikhef werkt mee aan een radicale uitbreiding.
Twee weken lange dagen metaalonderdelen dompelen in trilbaden met zeep en zuur. Je moet er maar zin in hebben. Maar natuurkundestudent Isis Hobus van de UvA had het absoluut niet willen missen.
Lange dagen in blauwe overall maakte zij tweede helft van februari in een tijdelijke cleanroom in de grote montagehal van het Laboratoria Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italië. Een buitenkans, vindt ze, want ze houdt wel van natuurkunde waarbij je je handen gebruikt. ‘Heel intensief. Maar het was echt heel voldoenend’, zegt ze, inmiddels weer in Amsterdam aan haar bachelor-scriptie.
In het lab op de flanken van de besneeuwde Apennijnen wordt al een jaar gewerkt aan een upgrade van XENON. De gevoeligste detector voor donkere materie ter wereld kan dat worden, mits de vele honderden onderdelen van de installatie ontdaan zijn van alle verontreinigingen die achtergrondstraling geven. Een prachtige klus voor ambitieuze studenten, die wel eens serieuze natuurkunde willen proeven.
En serieus is het. Donkere materie is een van de grote hedendaagse raadsels van de natuurkunde. Overal in het heelal wordt de meeste beweging gedicteerd door zwaartekracht die niet van zichtbare sterren lijkt te komen. Viervijfde van alle materie lijkt zoek. Maar wat donkere materie dan wel is, weet niemand.
Onbekende deeltjes, met massa maar zonder veel interacties, is een van de hypotheses. En XENON, een vat vol ijskoud vloeibaar en extreem zuiver xenon in Gran Sasso, hoopt als eerste zulke WIMPs te detecteren. Voorheen met 3,5 ton xenon. En binnenkort in een groter vat met 8,5 ton.
Om de detector af te schermen tegen gewone kosmische straling staat die in een tunnelstelsel onder twee kilometer graniet van de berg Gran Sasso.
De schoonmaakwerkzaamheden op Gran Sasso zijn een onderdeel van een radicale verbetering aan de XENON-detector, vertelt UvA-hoogleraar en groepsleider donkere materie prof. Patrick Decowski van Nikhef. ‘Het streven is de detector door de vergroting ongeveer een factor tien gevoeliger te maken dan hij al was. Dat betekent dat we van hooguit één interessant event per jaar nu, naar vijf of tien per jaar gaan. Dan begin je statistisch echt een verhaal te krijgen.’
Het hart van XENON is een manshoog thermosvat (een cryostaat) met ijskoud vloeibaar xenon, waarin een elektrisch veld heerst. Het vat hangt in een huizenhoge watertank met 750 kuub ultrapuur gedemineraliseerd water, dat dat storende neutronen tegenhoudt.
Aan weerszijden van het xenon in de cryostaat letten honderden fotobuizen op karakteristieke lichtflitsjes, die zullen ontstaan wanneer een donkere-materiedeeltje op een xenonatoom botst. De kunst bij de metingen is eventuele donkere materie te onderscheiden van gewone achtergrondstraling.
In de nieuwe XENONnT-detector zullen 500 nieuwe fotobuizen een volume van ongeveer 5 ton xenon permanent in de gaten houden. In totaal 8,5 ton xenon circuleert daartoe in een nieuwgebouwde zuiveringsinstallatie, waar voortdurend de laatste sporen van stralingsbronnen als radon worden weggefilterd.
De signalen van de fotobuizen uit de detector worden met verbeterde elektronica digitaal verwerkt en uiteindelijk geanalyseerd. Het wachten is dan op flitsjes die geen gewone verklaring hebben.
Nikhef, vertelt Decowski, is intensief betrokken bij de brandschone assemblage van de nieuwe TPC, en bij de aanleg en het testen van het nieuwe data-aquisitiessysteem in het glazen gebouw naast de watertank. De TPC voor XENON wordt nu gemonteerd en is over enkele weken klaar voor transport naar het ondergrondse lab, over de snelweg naar de Adriatische kust die dwars door de berg loopt.
Daar wordt binnenin de watertank het thermosvat er omheen gebouwd. Pas later zal de tank met water worden gevuld, iets dat dagen duurt omdat het water ter plaatste wordt gedenaturaliseerd.
Het nieuwe data-systeem en de xenon-zuivering zijn al beneden en min of meer klaar voor gebruik. Vermoedelijk in maart wordt de TPC in de nieuwe cryostaat in het onderaardse lab geplaatst en aangesloten, is de planning. Daarna volgt een uitgebreid testprogramma, om de detector goed in de vingers te krijgen en metingen te kunnen begrijpen.
Wanneer XENONnT echt kan gaan speuren naar donkere materie staat nog niet vast. Het systeem, zegt Decowski, wordt zo gevoelig dat precisie in dit stadium belangrijker is dan snel werken.
Contrastvloeistof
De tank met 750 kuub gedemineraliseerd water rond de eigenlijke cryostaat met vloeibaar xenon dient nu als schild tegen neutronen die valse signalen kunnen geven in de detector. Maar niet alles wordt tegengehouden. Maar ook daar kan de watertank uitkomst bieden, heeft het XENON-team bedacht. Door een snufje van het zeldzame-aardelementgadolinium (bekend als contrastvloeistof voor mri’s) in het water te mengen, geeft een passerend snel neutron daarin zogeheten cherenkovstraling af. Een flauwe blauwe gloed die met lichtsensoren in de tank te zien is. Door neutronsporen op te pikken kan op termijn nog scherper bepaald worden wanneer een signaal in de detector echt donkere materie is en wanneer ruis. Het besluit of en wanneer ook dit in XENON wordt ingebouwd, valt vermoedelijk ergens volgend jaar.
