Het experiment Xenon100 heeft in 2011 en 2012 geen overtuigende tekenen weten te vinden van deeltjes die het donkere-materie-probleem zouden kunnen oplossen.
Het is astronomen al decennialang een doorn in het oog: het probleem dat het heelal, naast de materie die we kunnen zien, nog veel meer onzichtbare materie lijkt te bevatten. De grote vraag is dan natuurlijk: waar bestaat die zogenoemde donkere materie uit? Het populairste antwoord daarop is op het moment: uit nog niet ontdekte elementaire deeltjes. Maar die deeltjes, genaamd WIMPs (weakly interacting massive particles), zou je dan wel hier op aarde moeten kunnen observeren. En dat laatste is het experiment Xenon100, opgesteld onder de Italiaanse Gran Sasso-berg, de afgelopen twee jaar niet gelukt.
Twee flitsen
Het hart van Xenon100 is een cilinder gevuld met 62 kilogram extreem zuiver vloeibaar xenon. Het idee is dat van de vele WIMPs die door de detector vliegen, er heel af en toe eentje op een xenonatoom botst. Zo’n atoom zendt vervolgens een lichtflitsje uit. Bovendien komen hierbij elektronen vrij, die door een elektrisch veld naar het bovenste, met xenongas gevulde deel van de detector worden getrokken, waar ze hun eigen lichtflitsjes veroorzaken. Neem je zowel een ‘xenonflits’ als ‘elektronflitsen’ waar, dan kun je daaruit reconstrueren waar in de detector een botsing heeft plaatsgevonden.
Schematische weergave van het experiment Xenon100. Een versie met Nederlandse inschriften vind je in KIJK 1/2012, op pagina 48. (Beeld: Zina Deretsky/NSF)
In 2010 leverde het bovenstaande recept nog geen resultaat op; daarna werd de gevoeligheid van het experiment opgekrikt met een factor 3,5. Helaas heeft dat, na 225 dagen aan waarnemingen in 2011 en 2012, even weinig opgeleverd. Weliswaar werden er twee events waargenomen – combinaties van flitsjes die op een WIMP-botsing zouden kunnen duiden – maar dat is te weinig om te kunnen spreken van iets anders dan “iets wat toevallig leek op een WIMP-botsing”.
2,2 ton xenon
Betekent dit dat we voor donkere materie op zoek moeten naar een andere oplossing dan WIMPs? Nee, zegt de bij het experiment betrokken deeltjesfysicus Auke-Pieter Colijn. “Het uitblijven van een detectie betekent niet dat WIMPs er niet zijn. Dat was bij het higgsdeeltje heel anders: daar wisten we dat als het niet zou worden gevonden in de LHC, het ook niet zou bestaan.”
De zoektocht gaat dus door. In eerste instantie met het Xenon100-experiment, dat nóg gevoeliger kan worden gemaakt. Daarna is het de beurt aan opvolger Xenon1T, dat met maar liefst 2,2 ton xenon ‘aan boord’ een veel grotere kans zal maken om botsingen met WIMPs waar te nemen. Áls die er zijn…
In het artikel ‘Tasten in het duister’, te verschijnen in KIJK 9/2012, lees je meer over de actuele stand van zaken rond de zoektocht naar donkere materie.
Bronnen: ArXiv.org (1), ArXiv.org (2), Interactions