XENON
Donkere materie
Nikhef maakt deel uit van XENON, een wereldwijd samenwerkingsverband van 27 universiteiten en onderzoeksinstituten dat het mysterie rond donkere materie wil ontrafelen. Het grootste gedeelte van de materie in ons heelal kan geschaard worden onder donkere materie, maar we weten er nog maar bijzonder weinig over. Met een ondergronds meetinstrument wil XENON hier verandering in brengen.
In het universum bestaat slechts 5% van de materie uit ‘spul’ dat we kennen, opgebouwd uit atomen. Hieruit zijn alle sterren, planeten en ander zichtbaar materiaal opgebouwd. Maar liefst 95% van het heelal bestaat echter uit donkere energie (68%) en donkere materie (27%).
Donkere materie produceert en reflecteert geen licht. We kunnen het daarom niet rechtstreeks zien. Toch weten we zeker dat het bestaat. Onder andere omdat sterren en sterrenstelsels anders bewegen dan alleen met zichtbare materie is te verklaren. Een kandidaat voor donkere materie is de WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), een zwaar deeltje dat een zeer zwakke wisselwerking heeft met andere deeltjes. Hierdoor botst een WIMP dus bijna niet met deze andere deeltjes.
Nikhef-onderzoekers willen, samen met internationale collega’s, donkere materie laten botsen met vloeibaar xenon. Als donkere materie tegen een xenon-atoomkern botst, moet er een kleine hoeveelheid energie vrijkomen in de vorm van twee specifieke lichtflitsen kort achter elkaar. Het idee is dat als onderzoekers deze lichtflitsen waarnemen er dus een botsing tussen een xenon-atoomkern en een donkere-materie-deeltje moet zijn. Maar omdat er maar heel weinig botsingen tussen xenon en donkere materie verwacht worden, is het een moeilijke meting.
De XENON-detectoren kunnen onderscheid maken tussen de WIMP en eventueel overgebleven achtergrondstraling. De onderzoekers hopen op basis van de meetgegevens te kunnen bepalen uit welk nieuw subatomaire deeltje donkere materie bestaat en welke massa het heeft en hoe het wisselwerkt met gewone materie.
De XENON-detectoren hebben verschillende fases. Zo draaide van 2016 tot 2018 het XENON1T experiment, met 3,5 ton vloeibaar xenon. Dat experiment vond plaats in een cryostaatvat bij 100 graden onder nul met detectoren boven en onder het xenon om de lichtsignalen waar te nemen. Om de cryostaat bevond zich een waterreservoir om het experiment zo veel mogelijk af te schermen van achtergrondstraling. De opstelling stond in het binnenste van een berg bij het Gran Sasso National Laboratory in Italië. Die locatie, met een 1400 meter hoge berg erboven, zorgde ervoor dat kosmische muonen het experiment niet verstoren. Na twee jaar speuren heeft XENON1T geen aanwijzingen voor botsingen met donkere-materie-deeltjes gevonden. Het experiment was wel ’s werelds meest gevoelige donkere materie experiment en heeft veel theoretische modellen van donkere materie uit kunnen sluiten.
Inmiddels werken de onderzoekers aan een detector die meer dan twee keer zoveel xenon bevat en tien keer gevoeliger wordt: XENONnT. Ook die detector staat in de berg bij Gran Sasso, veel van de infrastructuur die voor XENON1T is gebouwd wordt hergebruikt.
Onderzoekers en technici van Nikhef hebben van XENON het cryostaatvat ontworpen en de draag- en compenseringsconstructie 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 XENON1T waren ze nauw betrokken bij de analyse van de eerste meetgegevens.
Artikel over de XENONnT-upgrades in Nikhef-magazine DIMENSIES #1
Fundamenteel onderzoek
Dit onderzoek is een goed voorbeeld van fundamenteel wetenschappelijk onderzoek, gericht op het vergaren van basiskennis over alles om ons heen. Aan de basis van dit type onderzoek staat nieuwsgierigheid naar hoe het universum in elkaar zit en hoe het is ontstaan. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle zichtbare materie opgebouwd is uit atomen, maar er zijn ook nog veel vragen onbeantwoord.
Fundamenteel onderzoek is niet gericht om op korte termijn toepassingen te realiseren. Toch is één ding zeker: niemand kan voorspellen welke baanbrekende toepassingen op termijn uit het onderzoek zullen voortkomen. De geschiedenis leert dat de fundamentele kennis van vandaag de voedingsbodem is voor de ontdekkingen van morgen.
Speuren naar het gros van het heelal (XENON1T) (uit de speciale Nikhef special van New Scientist)