Nationaal instituut voor subatomaire fysica

Wat is donkere materie?

In het universum bestaat slechts 4% van wat wij kunnen zien uit materie die wij kennen, opgebouwd uit atomen. Liefst 96% van het universum bestaat echter uit donkere energie (73%) en donkere materie (23%).

Donkere materie produceert en reflecteert geen licht en kunnen we dus niet zien. Toch weten we zeker dat het bestaat, gezien onder andere de beweging van sterren en sterrenstelsels en andere astronomische waarnemingen. Tevens verwachten wij donkere materie om ons heen, hier op aarde. Een kandidaat voor de donkere materie is de WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), een zwaar deeltje dat aan de zwakke wisselwerking deelneemt. Door de zwakke wisselwerking heeft een WIMP weinig interactie met andere deeltjes, en botst dus bijna niet met deze andere deeltjes.

Wat houdt het onderzoek in?

De Nikhef-onderzoekers gaan samen met internationale collega's op zoek naar deze donkere materie. Het vinden van sommige 'zichtbare subatomaire deeltjes is al een bijzonder moeilijke opgave, maar 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 aan een zwakke wisselwerking deelneemt, dus weinig botst met andere deeltjes.

De onderzoekers moeten daarom de kans op deze botsingen vergroten door de omstandigheden ideaal te maken. Ze gaan daarvoor gebruik maken van een edelgas, xenon.

Xenon is een gas dat een dichtheid heeft die de kans op subatomaire botsingen aanzienlijk vergroot, de massa van de nucleus van Xenon is namelijk groot (atoommassa A=131, wat betekent dat de nucleus bestaat uit 54 protonen en 77 neutronen). De onderzoekers zijn bezig om een cryostaatvat te ontwerpen waarin een kamer met 2,5 ton vloeibaar Xenon zit. Daaromheen ontwerpen ze een waterreservoir om tijdens het experiment zo weinig mogelijk omgevingsinvloeden in de vorm van achtergrondstraling op te vangen. De opstelling zal in het binnenste van een Italiaanse berg worden gebouwd, namelijk bij Gran Sasso National Laboratory in ItaliĆ«. Die locatie 1000 meter onder een berg zorgt ervoor dat zo weinig mogelijk kosmische muonen wisselwerken met het experiment. De ideale omstandigheden dus om donkere materie te laten botsen met onze 'eigen' materie.

Nikhef werkt ondermeer aan het cryostaatvat van het XENON1T in het midden van de afbeelding. De cryostaat zorgt ervoor dat het xenon in de detector vloeibaar blijft. Het doel van het XENON1T experiment is om donkere materie te identificeren.
Zijaanzicht van het XENON1T experiment. De gele tank aan de rechterkant is een 11m diameter watertank waar de detector zich binnen in bevindt. Het water in de tank helpt achtergrondstraling te onderdrukken. Op de twee verdiepingen naast de tank staat de koelinstallatie en het detector uitlees systeem.

Hoe weten de onderzoekers dat ze met donkere materie te maken hebben?

Als donkere materie botst tegen de nucleus van een xenon-atoom, ontstaat er een lichtflitsje. Dit lichtflitsje wordt gegenereerd door de terugslag die de xenon-atoom heeft gehad.

Donkere materie zal dus niet zichtbaar worden gemaakt door het onderzoek, het blijft een indirect proces waar de onderzoekers de aanwezigheid van donkere materie aantonen door de reactie van een ons bekend deeltje met die donkere materie. De detector kan het onderscheid maken tussen de WIMP en de eventueel overgebleven achtergrondstraling. De onderzoekers hopen op basis van de meetgegevens te kunnen aangeven dat het een nieuw subatomair deeltje is en te kunnen bepalen welke massa het deeltje heeft en wat de waarschijnlijkheid van wisselwerking met gewone materie is.

Wat is Nikhef's bijdrage aan het project?

Nikhef's onderzoekers en technici zullen het cryostaatvat en de ondersteunstructuur ontwerpen en bouwen. Daarnaast zorgen ze voor een deel van de elektronica en het data-aquisitiesysteem. De Nikhef-onderzoekers blijven in de komende jaren samen met hun internationale collega's actief in de fysicagroepen tijdens de analysefase van het onderzoeksproject. De internationale groep bestaat uit zo'n veertig onderzoekers en technici.

Tijdlijn Xenon 1T

Waarom willen we dit weten?

Fundamenteel natuurkundig onderzoek richt zich op het vergaren van basiskennis van alles om ons heen. Veel weten we al, bijvoorbeeld dat alle materie opgebouwd is uit atomen, maar er zijn ook nog veel open vragen. Om de puzzel compleet te maken hebben we fundamenteel onderzoek nodig, uitgevoerd door nieuwsgierige wetenschappers. Zij willen voornamelijk weten hoe dingen in elkaar zitten.

Uitvinden waar donkere materie uit bestaat is belangrijk om het plaatje van alle deeltjes compleet te krijgen, en om eindelijk inzicht te krijgen in hoe het universum precies in elkaar zit.


Eventuele toepassingen

In de medische wereld (diagnose, PET-scans).

Website van de internationale collaboratie

XENON