Veelbelovende resultaten meest gevoelige detector donkere materie

Donkere materie is nog altijd een groot raadsel voor wetenschappers; het is moeilijk waarneembaar. Maar we zijn een stapje verder gekomen: het samenwerkingsverband XENON heeft de eerste resultaten gepresenteerd van een 30 dagen durende test met de XENON1T, de gevoeligste detector van donkere materie ooit. En die resultaten zijn veelbelovend.

Bestaan

Donkere materie is een van de basisbestanddelen van het universum en is vijf keer meer aanwezig dan gewone materie dat is opgebouwd uit atomen (sterren, planeten en ander zichtbaar materiaal). Maar liefst 95% bestaat echter uit donkere energie (68%) en donkere materie (27%). Donkere materie produceert en reflecteert geen licht: het is daarom niet rechtstreeks te zien. Toch hebben verschillende astronomische metingen het bestaan van donkere materie aangetoond. Er wordt dan ook al decennia lang gezocht naar de zcithbaarheid van donkere materie.

Verschillende onderzoeken hebben al met veel zekerheid vastgesteld dat donkere materie het WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) bevat, een zwaar deeltje dat nauwelijks botst met andere deeltjes. Dit is mogelijk een reden dat botsingexperimenten op aarde nog geen informatie over donkere materie hebben opgeleverd. De wisselwerking met andere deeltjes is simpelweg te zwak. Wereldwijd zijn dan ook initiatieven gaande met als doel om steeds gevoeligere detectoren te ontwikkelen. De XENON1T is daar tot op heden het beste voorbeeld van.

Ondergronds

Het experiment vindt plaats in een cryostaatvat, zo lezen we op de website van het Nederlandse bedrijf Nikhef dat meewerkt aan de XENON1T. De cryostaat zorgt ervoor dat het xenon op een temperatuur van -95 °C wordt gehouden zonder het omringende water te bevriezen. 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 bevindt zich onder de grond; het is gebouwd in een berg bij het Gran Sasso National Laboratory in Italië. De aanwezigheid van de berg zorgt ervoor dat zo weinig mogelijk kosmische stralen het experiment verstoren. Maar afscherming van de buitenwereld alleen is niet genoeg aangezien alle materialen op aarde kleine sporen van natuurlijke radioactiviteit bevatten. De materialen waar de detector zelf uit gemaakt is zijn zeer zorgvuldig geselecteerd om een zo laag mogelijke radioactiviteit te bereiken. Deeltjesinteracties in vloeibaar xenon leiden tot lichtflitsjes die de XENON-wetenschappers meten en bestuderen. De lichtflitsjes geven informatie over de positie en de energie en worden gebruikt om te bepalen of het afkomstig is van een donkere-materie-deeltje of niet. De detector is nu 30 dagen lang getest, met een onderbreking vanwege een aardbeving.

Nederlandse inbreng

De resultaten van die test laten zien dat deze detector een record heeft gevestigd met het laagste radioactiviteitniveau. Bovendien is de XENON1T (met een totale massa van zo’n 3200kg) de grootste detector van dit type dat ooit gebouwd is. De combinatie tussen de toegenomen grootte van de detector en de lage achtergrondstraling biedt de komende jaren veel potentie voor de ontdekking van donker materiaal.

Het samenwerkingsverband bestaat uit 135 wetenschappers uit Amerika, Duitsland, Italië, Zwitserland, Portugal, Frankrijk, Israël, Zweden, de Verenigde Arabische Emiraten en Nederland. Het Nederlandse bedrijf Nikhef werkt mee aan het project: onderzoekers en technici van Nikhef hebben het cryostaatvat ontworpen, evenals 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. Prof. dr. Patrick Decowski, programmaleider Donkere Materie bij Nikhef, zegt in een persbericht: “Met deze korte run hebben we kunnen aantonen dat XENON1T de meest gevoelige detector is. Hiermee hebben we de beste limiet wereldwijd op donkere-materie-interacties gezet.”

Door: Kelly Bakker

Bron: Nikhef/XENON