Op zoek naar het onzichtbare heelal

In een lab diep onder de besneeuwde Abruzzen in Italië, met een hoog James Bond-gehalte, staat een megadetector die vanaf woensdag naar de geheimen van het heelal gaat speuren.

Wie in Italië van de Adriatische kust terugrijdt naar Rome, negeert midden in de eindeloos lange tunnelbuis van de A24 onder de bergen bij L'Aquila doorgaans de ondergrondse afslag naar rechts, die naar niks lijkt te leiden. Dat is niet zo. Bijna anderhalve kilometer diep onder de Gran Sasso (2.912 meter), achter een stalen deur die tergend langzaam openglijdt voor bezoek, wacht het Laboratori Nazionale del Gran Sasso, een van de grootste natuurkundelabs ter wereld. Nog verderop het achterliggende gangenstelsel in wordt komende woensdag met veel fanfare een meetapparaat onthuld dat onze kijk op het universum de komende jaren kan veranderen.

De plek zelf zou een prachtig decor vormen voor een nieuwe James Bond-film, beaamt de Amerikaans-Nederlandse fysicus Patrick Decowski van het Nikhef in Amsterdam. In de hoog welvende tunnels staan gecompliceerde opstellingen in frisse kleuren met mysterieuze namen. Opera is er een van, het neutrino-experiment dat in 2013 per abuis meldde dat het deeltjes zag die sneller gingen dan het licht. Dat bleek een vergissing, een verkeerd lopende klok, en dus een afgang. Het experiment wordt nu ontmanteld. De genodigden bij de opening van Xenon1T woensdag zullen er waarschijnlijk snel langs worden geloodst.

Xenon1T

Decowski is een van de bedenkers en bouwers van Xenon1T, de fonkelend nieuwe detector die diep onder de besneeuwde Abruzzen gaat speuren naar aanwijzingen voor donkere materie. Kort gezegd is donkere materie de achilleshiel van de natuurkunde. Uit de draaiing van sterrenstelsels is af te leiden dat 85 procent van de massa daarin onzichtbaar is. En fysici hebben geen enkele aanwijzing waaruit het donkere spul dan bestaat. Wel zijn er experimenten om zulke materie te maken, met de LHC-superversneller in Cern bijvoorbeeld. Andere experimenten kijken of kosmische donkere materie eventueel te vangen is. Of signalen van uit elkaar vallende donkere materie.

De kern van Xenon1T is een vat met 3,5 ton vloeibaar edelgas xenon van 100 graden onder nul, omgeven door honderden lichtdetectoren, allemaal in het hart van een stalen silo met 750 kuub water. De hele opstelling is even groot als de kantoorunit van drie etages ernaast, van blauw staal en glas, waar de onderzoekers en hun computers en pompen huizen.

Teamleden bij de Xenon1T.

Een paar ton vloeibaar xenon, dat klinkt overigens als meer dan het is, zegt Decowski. 'Xenon is een zwaar element, waardoor de hele detector toch maar een kubieke meter beslaat.' Het zware xenon vangt, als er iets langskomt, relatief makkelijk een donkeremateriedeeltje. Volgens schattingen razen er elk moment van de dag een miljard van die mysterieuze deeltjes door zo'n volume. En ook door onszelf. Dat razen komt niet doordat de deeltjes zo hard vliegen. Het is het gevolg van de beweging van de zon door het Melkwegstelsel, waardoor we door de wolk donkere materie razen die in onze Melkweg de boel bij elkaar houdt. 'Het is een soort tegenwind van deeltjes die we niet kunnen zien', zegt Decowski. Zelfs de windrichting is bekend: het sterrenbeeld Cygnus, de Zwaan dus.

Het heelal heeft twee grote fysische raadsels, legt Decowski uit in het Nikhef-laboratorium op het sciencepark in Amsterdam. Aan de ene kant is er de donkere materie, waarvan we wel de aantrekkingskracht zien die sterrenstelsels bij elkaar houdt, maar waarvan we verder niks zien of weten. Dat is 85 procent van alle materie, is de schatting. Aan de andere kant is er de deeltjeswereld, waarvan fysici vrij zeker weten dat ze nog een flink deel niet zien. Het allermooiste, zegt Decowski, zou zijn als die twee raadsels elkaar gaan raken doordat donkeremateriedeeltjes precies de uitbreiding van het standaardmodel blijken te zijn. 'De hoofdprijs', mijmert hij.

Speuren

Hoofdkandidaat voor donkere materie, als het aan de theoretici ligt, zijn de zogeheten WIMPs, deeltjes die elk misschien wel honderd protonmassa's zwaar zijn, maar die verder nauwelijks contact hebben met gewone materie. Misschien wel een factor duizend tot miljoen maal minder dan neutrino's, de befaamde spookdeeltjes die bijvoorbeeld door de zon worden uitgespuwd. WIMPs, is het idee, zijn een restant van een periode kort na de oerknal, toen ook de gewone materie is ontstaan.

Het speuren naar zulke donkere materie is op zich niet nieuw. De nieuwe Xenon1T-detector (de naam komt van de ton xenon die actief wordt gebruikt) is bijvoorbeeld al de derde generatie op Gran Sasso, en ook elders zijn vergelijkbare experimenten opgesteld. Hun voornaamste werk: wachten tot een verdwaald donkeremateriedeeltje een xenonkern raakt en twee karakteristieke lichtflitsen veroorzaakt. De hoop is uit die flitsen op te maken wat het deeltje weegt en hoe makkelijk of moeilijk het op gewone materie botst.

Tot nog toe hebben de meeste detectoren voor donkere materie eigenlijk niets van dat alles kunnen zien. De enkele lichtflitsen die worden geregistreerd, zijn doorgaans storingen door radioactieve straling uit de installaties of bergwanden of verdwaalde neutronen. Wel houdt de berg de meeste kosmische stralen tegen. Decowski toont kleurige diagrammen waarop bepaalde gebieden van massa en botsbereidheid zijn uitgesloten: daar zitten de WIMPs zoals de theoretici zich die voorstellen in elk geval niet.

De concurrentie

In diepe mijnen in de VS en Japan worden ook pogingen gedaan donkeredeeltjeswind aan te tonen. Daarnaast wordt in de LHC-superversneller in Genève bekeken of er niet nu iets onbekends ontstaat dat een donkere kandidaat zou kunnen zijn. Zelfs aan boord van het ruimtestation ISS staat een detector die straling zoekt die van verre botsende donkere materie zou moeten komen. Iets overtuigends is nog nergens gevonden.

Donkeremateriejacht wordt deeltjesfysica

Met de Xenon1T-detector, gebouwd door een consortium van twintig universiteiten wereldwijd, kan opnieuw een fiks deel van die grafieken worden weggestreept. Ook niets meten is een wezenlijk resultaat, zegt Decowski. Tenzij er eindelijk lichtflitsjes opduiken in de tank xenon, die de komende jaren de grootste op aarde zal zijn voor dit type onderzoek. Met het grote volume heeft het in een paar dagen tijd evenveel gemeten als alle eerdere experimenten samen. En natuurlijk: aan een nog grotere versie wordt ook alweer gewerkt, ook in het Amsterdamse lab.

Als er WIMPs bestaan die zich aan onze theoretische ideeën houden, zouden er zomaar duizend inslagen per jaar in Xenon1T gezien kunnen worden. De vorige generatie haalde één inslag per jaar. Van een vak waarin nauwelijks statistiek kan worden bedreven, wordt de donkeremateriejacht opeens gewone deeltjesfysica, waar forse aantallen waarnemingen de norm zijn, zegt Decowski tevreden.

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