De meest dure projecten zijn opgezet om donkere materie te betrappen. Maar – zo suggereren wetenschappers nu – je kunt ook gewoon naar een stelletje opgegraven stenen kijken.

Een paar maanden geleden wijdden we er in KIJK nog een heel coververhaal aan: een groot deel van ons heelal lijkt te bestaan uit donkere materie, maar decennia aan experimenten hebben de deeltjes waar die materie van gemaakt zou zijn niet kunnen vinden.

Dan kun je nog grotere, betere en dus duurdere experimenten gaan bouwen. Of, zo suggereert een team van Zweedse, Amerikaanse en Poolse wetenschappers: je kunt eens heel goed gaan kijken naar een aantal opgegraven stenen.

Identieke atomen

Bij experimenten die naar donkere materie zoeken in de vorm van de populairste kandidaat, de zogenoemde weakly interacting massive particles (WIMPs), is het recept vaak als volgt. Je vult een flinke ruimte met een bepaalde, heel zuivere stof – oftewel met een heleboel identieke atomen. Al die atomen houd je in de gaten, in de hoop dat er af en toe een passerende WIMP op de kern van zo’n atoom botst. Die atoomkern beweegt daardoor dan een stukje naar achteren en dat levert een signaaltje op dat je kunt meten met de detectors waarmee zo’n ruimte omgeven is.

Tot nu toe heeft die methode niets opgeleverd, maar dat betekent niet dat de fysici klaar zijn om de handdoek in de ring te gooien. Op verschillende plekken wordt gewerkt aan experimenten waarbij nóg grotere hoeveelheden atoomkernen nóg beter in de gaten worden gehouden.

Licht of zwaar?

De Zweedse natuurkundige Patrick Stengel en zijn team vinden de tijd echter rijp voor een alternatief. Zij zeggen: bekijk in plaats van zoveel mogelijk atomen een kleine hoeveelheid atomen die heel lang aan zulke botsingen is blootgesteld. Concreet: neem een steen waar al een miljard jaar WIMPs doorheen hebben kunnen vliegen en kijk of je sporen ziet van atoomkernen die in die tijd door een botsing met zo’n WIMP van hun plek zijn geduwd.

Bij hun voorgestelde zoektocht maken de wetenschappers onderscheid tussen twee scenario’s: je kunt je richten op zware of op lichte WIMPs. Als WIMPs licht zijn, moeten er heel veel van bestaan, willen ze met hun opgetelde massa het donkere-materie-probleem op kunnen lossen. Is dat het geval, dan zullen er dus ook relatief veel botsingen zijn tussen WIMPs en atoomkernen. In dat geval kun je volstaan met het bekijken van 10 milligram gesteente. Ga je daarentegen uit van zware WIMPs, dan zijn er veel minder – en zijn botsingen dus veel zeldzamer. In dat geval moet je zo’n 100 gram gesteente bekijken.

Geen kiezeltjes

Daar staat tegenover dat zware WIMPs een veel hardere tik uitdelen aan een atoomkern dan lichte. Daardoor zijn de relatief lange sporen van zo’n botsing te zien door de volledige steen in 3D te scannen met felle röntgenstraling. Zijn de WIMPs licht, dan zijn de tekenen van botsingen zo miniem dat ze met zo’n 3D-scan niet te ontwaren zijn. In plaats daarvan moet je steeds een dun laagje van je steentje scannen met een bundel deeltjes, dat laagje eraf schrapen – bijvoorbeeld met een laserstraal – om dan het volgende laagje te scannen.

En over wat voor stenen hebben we het hier dan? Kun je gewoon een kiezeltje van je tuinpad plukken? Helaas niet: stenen die zich op of vlak onder het aardoppervlak bevinden, worden continu gebombardeerd door deeltjes uit de ruimte, en die kunnen net zulke sporen achterlaten als botsende WIMPs. Stenen die zich, zeg, 10 kilometer onder de grond bevinden, hebben dat probleem niet. Als daar een spoortje in zit, kun je er vrij zeker van zijn dat het door een WIMP is veroorzaakt, aangezien dit deeltje heel gemakkelijk door objecten dringt.

Het dichtgelaste deksel van het Kola Superdeep Borehole in Rusland, met 12.261 meter het diepste gat dat de mens ooit groef. Wetenschappers willen stenen die afkomstig zijn van de bodem van dit soort gaten gaan bestuderen in de hoop er tekenen van donkere materie in te vinden. © Alexey Zaytsev/CC BY-SA 3.0

Extreem interessant

Om aan stenen van 10 kilometer diepte te komen, kun je terecht bij ultradiepe boorputten, die bijvoorbeeld zijn gemaakt om te speuren naar nieuwe aardolievoorraden. En voldoet dan elk denkbaar gesteente uit zo’n put? Nou, de onderzoekers hebben wel zo hun voorkeuren. Het zou bijvoorbeeld erg fijn zijn als ze de hand weten te leggen op het mineraal olivijn, te zien op de foto boven dit bericht. Dat bevat namelijk heel weinig uranium, een radioactief element dat deeltjes uitzendt die de donkere-materie-metingen in de war kunnen schoppen. Maar uiteindelijk heb je het met zo’n boorput niet voor het uitkiezen, zegt Stengel. “Je zult het moeten doen met de mineralen in de stenen die uit zo’n put naar boven komen.”

De Nederlandse deeltjesfysicus Auke-Pieter Colijn (Universiteit van Amsterdam), die op de ‘ouderwetse’ manier naar donkere materie zoekt, is wel te spreken over het idee van Stengel en collega’s. “Het is extreem interessant om te kijken naar stenen die miljoenen en miljoenen jaren gratis en voor niets zijn blootgesteld aan donkere materie. Wel lijkt het me heel lastig om die spoortjes te vinden; die zijn immers maar 1 tot 500 miljardste meter lang. Maar mochten ze op deze manier donkere materie vinden, dan petje af!”

Deze Far Out staat ook in KIJK 7/2019.

Bronnen: Physical Review D, ArXiv.org, Physics World

Beeld: iStock/Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!