Sluipmaterie

Vrijwel niemand twijfelt aan het bestaan, maar gevonden is het nog nooit: de mysterieuze donkere materie, die het belangrijkste bestanddeel is van het heelal. Kosmologen beginnen er knap zenuwachtig van te worden.

Bernard Sadoulet is afgelopen voorjaar 70 geworden. Het grootste deel van zijn carrière als experimenteel fysicus heeft hij gewijd aan de jacht op donkere materie. Inmiddels begint hij zich af te vragen of hij de oplossing van het raadsel nog mee zal maken. 'Zeven jaar geleden schreef ik in Science dat we op het punt van een doorbraak stonden,' zegt hij. 'Maar het blijkt allemaal veel moeilijker te zijn dan ik dacht.'


Ook astrofysicus Joe Silk (71) weet het niet meer. 'De vraag waar het om draait is: wanneer geven we het op? We móéten wel blijven doorzoeken, totdat we het antwoord hebben.'


Crisis in de kosmologie, kortom - dat bleek eind vorige maand wel tijdens een internationaal symposium over donkere materie in Amsterdam. Kort samengevat: er moet veel meer donkere materie in het heelal zitten dan alle sterren, planeten en andere zichtbare materie bij elkaar - daar kunnen sterrenkundigen niet omheen. Maar niemand heeft ook maar een flauwe notie wat al die donkere materie eigenlijk is. Het is alsof je over de lijken struikelt, maar de seriemoordenaar maar niet in het vizier krijgt.


Donkere materie kun je niet zien, maar wel 'voelen'. Dat wil zeggen: de zwaartekrachtswerking ervan is evident. Buitengebieden van sterrenstelsels zoals ons eigen Melkwegstelsel zwieren met te grote snelheid rond. Sterrenstelsels in clusters hebben onverwacht hoge snelheden. Bovendien wordt het licht van achtergrondobjecten in diezelfde clusters sterk afgebogen en vervormd door de zwaartekracht. Uit alles blijkt dat het heelal maar liefst vijf keer zoveel onzichtbare materie moet bevatten als alle zichtbare sterren, gas- en stofwolken bij elkaar.


Duidelijk is onderhand ook wel dat al die donkere materie niet uit gewone atomen kan bestaan. Anders was de dichtheid aan kerndeeltjes kort na de oerknal zo hoog geweest dat kernfusiereacties in een hoger tempo plaatsvonden: dan zou het heelal een andere samenstelling hebben gehad. Ergo: het moet om zogeheten niet-baryonische materie gaan, elementaire deeltjes die niet voorkomen in het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica.


De slotsom is onthutsend. De materie waaruit sterren, planeten en mensen bestaan, vormt slechts een relatief kleine 'verontreiniging' in een uitgestrekte oceaan van mysterieuze deeltjes.


Per seconde vliegen er naar schatting zo'n dertigduizend van die donkere-materiedeeltjes door elke vierkante centimeter van ons lichaamsoppervlak, zegt de Amsterdamse natuurkundige Gianfranco Bertone, die het symposium organiseerde. We merken er niets van. En ze vliegen ook onopgemerkt door onze detectoren.


Te bizar om waar te zijn? Dat mag zo lijken, maar kosmologen kunnen er met geen mogelijkheid omheen. 'Niet-baryonische donkere materie geeft je 99 procent van de waarheid,' aldus theoreticus Michael Turner (64), hoogleraar aan de Universiteit van Chicago.


Ook kosmologienestor Jim Peebles van Princeton University (79) is er in Amsterdam stellig over. 'Het bestaan van donkere materie is boven alle twijfel verheven,' zegt hij, 'ook al heb ik geen idee om wat voor spul het gaat. Natuurlijk is het in principe mogelijk dat een gevestigde theorie alsnog onderuit wordt gehaald, maar eerlijk gezegd ken ik daar geen voorbeelden van uit de geschiedenis. Hooguit is er sprake van aanpassingen.'


Peebles zegt dat hij 'teleurgesteld' zou zijn als donkere-materiedeeltjes nooit worden gedetecteerd, 'maar daarmee zou de theorie niet gefalsificeerd zijn. Het aantal aanwijzingen is verbazingwekkend groot.'


De meeste van zijn collega's denken er net zo over. 'Donkere materie is geen bug maar een feature,' zegt Turner. Dat donkere materie bestaat is 'overduidelijk', aldus Silk, verbonden aan het Institute d'Astrophysique de Paris. Sadoulet, van de Universiteit van Californië in Berkeley, is ervan overtuigd dat het net rond de donkere materie zich aan het sluiten is, ook al duurt het langer dan verwacht.

Drie manieren

In principe zijn er drie manieren om donkere materie te detecteren. De raadselachtige deeltjes zouden geproduceerd kunnen worden in deeltjesversnellers zoals bij het CERN in Genève. Er is echter nooit iets gevonden.


Manier nummer twee: in ondergrondse laboratoria, afgeschermd van storende kosmische straling, kun je gaan speuren naar de extreem zeldzame gevallen waarin een donkere-materiedeeltje wél in wisselwerking treedt met een atoomkern. Daar wordt door een paar honderd onderzoekers aan gewerkt, in een groot aantal verschillende experimenten. Eén daarvan, het Italiaanse DAMA-experiment, beweert beet te hebben, maar de resultaten zijn nog nooit door anderen gereproduceerd, dus niemand gelooft er echt in.


De derde manier biedt misschien de meeste kansen. Als twee donkere-materiedeeltjes met elkaar in botsing komen, verwacht je dat ze elkaar annihileren. Bij die wederzijdse vernietiging moet gammastraling vrijkomen. En inderdaad: de Amerikaanse gamma-ruimtetelescoop Fermi heeft in het centrum van ons Melkwegstelsel een subtiel overschot aan gammastraling gevonden, precies waar de dichtheid van de donkere materie groter moet zijn dan gemiddeld.


Onderzoeksleider Dan Hooper van het Amerikaanse Fermilab - met 37 jaar verreweg de jongste deelnemer aan het symposium - geeft toe dat er meer meetgegevens nodig zijn voordat er sprake is van een statistisch significant resultaat. 'En als we de komende jaren in andere sterrenstelsels niet eenzelfde overschot aan gammastraling vinden,' zegt hij, 'zal niemand het signaal uit het Melkwegcentrum interpreteren als de vingerafdruk van donkere materie.'

Groen licht

Ondertussen weet eigenlijk niemand hoe het nu verder moet. Afgelopen week is er groen licht gegeven voor enkele nieuwe, nóg grotere en gevoeliger deeltjesexperimenten in de Verenigde Staten, maar daarmee wordt wel de grens bereikt van wat er technisch haalbaar is. Gammametingen zullen waarschijnlijk altijd voor meerdere interpretaties vatbaar blijven. En Jim Peebles geeft toe dat er wel degelijk ook moeilijk te verklaren astronomische waarnemingen zijn. 'Misschien zien we toch wel iets over het hoofd.'


Welke kant het ook opgaat, volgens Gianfranco Bertone ligt er een revolutie om de hoek. 'Ik denk dat we op het punt staan een fundamentele verschuiving mee te maken in het denken over de natuur,' schrijft hij in zijn net in het Nederlands vertaalde boek Achter de schermen van het heelal. Óf we achterhalen de ware identiteit van het belangrijkste materiële bestanddeel van de kosmos, óf we moeten de natuurwetten herschrijven, bedoelt hij daarmee.


Wat dat betreft is het speurwerk van de afgelopen decennia zeker nuttig geweest. 'Ik heb er tweederde van mijn werkzame leven aan besteed,' zegt Bernard Sadoulet, 'en dat is absoluut de moeite waard geweest. Zelfs als zou blijken dat ik het verkeerde spoor heb gevolgd.'


Astrofysica


Zou donkere materie dan misschien uit een van deze dingen kunnen bestaan?

neutrino's

'Spookdeeltjes' zonder elektrische lading. Hebben weliswaar een zeer geringe massa, maar zijn niet zwaar genoeg om alle donkere materie te verklaren. Bovendien bewegen ze te snel, waardoor ze onvoldoende snel samenklonteren.

macho's (massive astrophysical compact halo objects)

Hypothetische donkere, zware objecten rondom het Melkwegstelsel, die uit gewone atomen bestaan. Uit metingen aan microzwaartekrachtslenzen blijkt echter dat ze lang niet talrijk genoeg zijn om de donkere materie te verklaren. Bovendien staat vast dat donkere materie niet uit gewone atomen bestaat.

wimps (weakly interacting massive particles)

En dan vooral de allerlichtste exemplaren, de zogeheten neutralino's. Zouden zijn overgebleven zijn uit de hete oerknalfase van het heelal. Tot nu toe hebben experimenten in deeltjesversnellers echter geen ondersteuning voor de deeltjes opgeleverd, en WIMPs zijn ook nog nooit gedetecteerd.

axionen

Hypothetische deeltjes die voorgesteld zijn om een raadsel uit de deeltjesfysica op te lossen (de zogeheten 'schending van pariteitssymmetrie'). Of ze echt bestaan is onzeker, maar afhankelijk van hun massa zouden ze een verklaring voor donkere materie kunnen vormen.

exotische deeltjes

Zo lang kosmologen en deeltjesfysici de dader niet te pakken hebben, wordt er volop over gespeculeerd. Exotische deeltjes als Q-ballen, WIMPzilla's en steriele neutrino's zijn allemaal potentiële donkere-materiekandidaten.


Klopt de zwaartekracht wel?


Een kleine maar luidruchtige minderheid van astronomen en natuurkundigen is ervan overtuigd dat er een heel goede reden is waarom donkere materie nog nooit is ontdekt: het spul bestaat gewoon niet. In plaats daarvan moeten we de bekende zwaartekrachtwet van Newton een beetje aanpassen. Met de resulterende MOND-theorie (MOdified Newtonian Dynamics) is het rotatiegedrag van sterrenstelsels heel goed te begrijpen.


Maar Simon White (62) van het Max Planck-instituut voor Astrofysica in Garching, de expert bij uitstek op het gebied van computersimulaties van het heelal, is niet onder de indruk. 'Er bestaat geen enkel alternatief voor donkere materie.'


Wie was de vader van de donkere materie?


De Nederlandse astronoom Jacobus Kapteyn gebruikte in de jaren twintig van de vorige eeuw de term 'donkere materie' al, maar van zwaartekrachtsmetingen was toen nog geen sprake. Jan Hendrik Oort uit Leiden publiceerde in 1932 metingen aan de bewegingen van sterren in de buurt van de zon, en concludeerde dat ons Melkwegstelsel 'onzichtbare materie' moet bevatten. Meestal wordt evenwel de Zwitsers-Amerikaanse sterrenkundige Fritz Zwicky opgevoerd als de 'vader van de donkere materie': in 1933 publiceerde hij snelheidsmetingen van sterrenstelsels, waaruit bleek dat er in clusters enorme hoeveelheden donkere materie voorkomen.


Ideeën over de ware aard van donkere materie, waaruit 23 procent van het heelal bestaat, zijn er wel. Maar welk idee het juiste is?

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden