Het onzichtbare heelal

XENON is een internationaal natuurkunde-experiment dat met een ondergrondse detector in Italië probeert deeltjes van donkere materie waar te nemen en bestuderen.

De XENON-detector in Gran Sasso, Italië, is een vat met een volume diepgekoeld vloeibaar xenongas dat met fotobuizen wordt geobserveerd. De detector bevindt zich in een grottencomplex onder de Gran Sasso-berg, die hem afschermt voor kosmische straling.

XENON bestaat uit een vat met 8,6 ton diepgekoeld vloeibaar xenon. Bij het experiment zijn een installatie voor zuivering en koeling van xenon gebouwd en een centrum voor data-verwerking.

Het meetvolume van xenon is omhuld door een groot waterreservoir om achtergrondstraling uit de gesteenten verder tegen te houden. In theorie kunnen donkere materiedeeltjes er tot de ondergrondse detector doordringen. Als die een xenonkern raken, ontstaat naar verwachting een kenmerkend lichtsignaal dat het experiment kan oppikken. Zulke signalen zullen bij voorbaat zeldzaam zijn.

Bij het XENON-experiment zijn circa 150 wetenschappers uit 15 landen betrokken. Nikhef speelt er een vooraanstaande rol.

Een serieuze kandidaat voor donkere materie zijn zogenoemde WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle), een hypothetisch zwaar deeltje dat een zeer zwakke wisselwerking heeft met andere deeltjes.

WIMPs zijn in deeltjesversnellers nooit gezien, maar mogelijk wel massaal aanwezig in het heelal. Een WIMP botst bijna nooit met andere materie. De XENON-detector is volledig ingericht op het waarnemen van extreem zeldzame WIMP-botsingen.

Een kleinere eerdere versie van XENON in Gran Sasso vond geen aanwijzingen voor WIMPs, maar kon daarbij wel grenzen stellen aan de eventuele massa van de deeltjes. De grotere huidige XENON-detector heeft die grenzen scherper gesteld, maar opnieuw geen concrete deeltjes waargenomen. De metingen hebben al wel diverse theoretische modellen voor donkere materie kunnen uitsluiten.

XENON is het centrale experiment van de Donkere Materiegroep van Nikhef, die circa twintig stafleden, technici en promovendi omvat. Onderzoekers en technici van Nikhef hebben het koelvat voor XENON ontworpen en de draagconstructie waarmee het vat is bevestigd. Verder hebben ze de algoritmes ontwikkeld om te bepalen welke signalen van de detector bewaard moeten worden. Ook hebben ze de software geschreven om de elektronische signalen geschikt te maken voor verdere analyse. 

Voor zowel de eerdere XENON1T als de huidige XENONnT- detector waren de Nederlanders nauw betrokken bij de analyse van de eerste meetgegevens.

Behalve analyses doet de groep op het Nikhef-lab in Amsterdam ook experimenteel onderzoek naar meettechnieken in een kleine testversie van de detector, XAMS genaamd. Ook wordt experimenteel gezocht naar hardnekkige bronnen van achtergrondsignalen in de detector, bijvoorbeeld door verontreinigingen met oplosmiddelen in het gebruikte vloeibare xenongas. Inzet daarbij is de achtergrond in XENON en toekomstige donkere materiedetectoren verder te onderdrukken.

De groep onderhoudt internationaal nauwe contacten met initiatieven voor nieuwe generaties donkere-materiedetectoren, zoals LUX in de VS.

De Universiteit van Amsterdam is nauw betrokken bij het Nikhef-onderzoeksprogramma Dark Matter – XENON.

Lees meer over het internationale XENON-experiment: https://xenonexperiment.org/