XENON1T

Donkere materie

 

Nikhef maakt deel uit van XENON, een samenwerkingsverband van 21 universiteiten en onderzoeksinstituten verspreid over de wereld, dat als doel heeft om het mysterie rond donkere materie te 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. Door middel van 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% 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, gezien onder andere de beweging van sterren en sterrenstelsels, en andere astronomische waarnemingen. We verwachten die donkere materie ook om ons heen, hier op aarde. Al decennia lang wordt er dan ook naar vingerafdrukken van donkere materie gezocht.

Uit wat voor deeltjes bestaat donkere materie? Een kandidaat 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. Dit zou kunnen verklaren waarom botsingexperimenten op aarde nog geen informatie over donkere materie hebben opgeleverd.

Nikhef-onderzoekers zoeken samen met internationale collega’s naar donkere materie. Het vinden van ‘zichtbare’ subatomaire deeltjes kan al een bijzonder moeilijke opgave zijn, dus hoe vind je ‘onzichtbare’ deeltjes? Dat kan door de reactie van donkere materie met ons bekende deeltjes te bekijken. De kans op zo’n reactie is echter erg klein omdat donkere materie in alle waarschijnlijkheid weinig botst met andere deeltjes.

Door donkere materie in contact te brengen met het edelgas xenon hopen onderzoekers de kans op botsingen te vergroten. Xenon is namelijk een relatief groot atoom (atoommassa van ongeveer 130) en vloeibare xenon heeft een hoge dichtheid.

Als donkere materie botst tegen een xenon atoomkern, komt er een minuscuul kleine hoeveelheid energie vrij, in de vorm van een lichtflits. Door zo’n lichtflits waar te nemen, kan op indirecte wijze de aanwezigheid van donkere materie aangetoond worden. Omdat de kans op een botsing tussen xenon en donkere materie zo klein is, is het alleen geen eenvoudige meting.

Het nieuwste experiment van de XENON-samenwerking, XENON1T, vindt plaats in een cryostaatvat, een soort koelkast die nodig is om de temperatuur van ongeveer -100°C te bereiken waarbij xenon vloeibaar is in plaats van een gas. Het bevat 3,5 ton vloeibaar xenon en detectoren om de lichtsignalen waar te nemen. Daaromheen is een waterreservoir gebouwd om het experiment zo veel mogelijk af te schermen van achtergrondstraling. De opstelling is in het binnenste van een berg gebouwd, namelijk bij het Gran Sasso National Laboratory in Italië. Die locatie, met een 1400 meter hoge berg erboven, zorgt ervoor dat zo weinig mogelijk kosmische muonen het experiment verstoren.

De XENON-detector kan 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: welke massa heeft het en wat is de waarschijnlijkheid van wisselwerking met gewone materie?

Onderzoekers en technici van Nikhef hebben het cryostaatvat ontworpen, alsmede de draag- en compenseringsconstructie waarmee het vat is bevestigd. Verder hebben ze de algoritmes ontwikkeld om te bepalen welke signalen in de detector bewaard worden, en de software geschreven om de elektronische signalen geschikt te maken voor verdere analyse.

XENON1T is sinds 2016 operationeel. Nikhef-onderzoekers blijven in de komende jaren samen met hun internationale collega’s actief tijdens de analysefase van het onderzoeksproject. De internationale XENON-groep bestaat uit zo’n honderd onderzoekers en technici. Hoewel XENON1T pas net begint met het verzamelen van data, is de XENON-samenwerking al bezig om de volgende stap voor te bereiden: XENONnT wordt een detector die ongeveer twee keer zoveel xenon bevat en tien keer gevoeliger wordt dan XENON1T.

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)

Website van de internationale collaboratie

Programmaleider XENON1T