Wetenschappers hebben vooruitgang geboekt in de speurtocht naar donkere materie. We weten nog altijd niet wat het is, maar wel steeds beter wat het niet is.

Donkere materie blijft een van de grootste mysteries in de wetenschap. Al een eeuw lang vermoeden astronomen dat er iets moet bestaan dat we niet rechtstreeks kunnen zien, omdat sterrenstelsels zich anders gedragen dan verwacht. Ze vertonen bijvoorbeeld een zwaartekracht die niet overeenkomt met de zichtbare materie. Haal je donkere materie uit de vergelijking, dan zouden sterrenstelsels zelfs uit elkaar vliegen.

Maar donkere materie is, zoals de naam al doet vermoeden, niet zichtbaar en dus ook niet rechtstreeks meetbaar. Ze verraadt zichzelf alleen via haar zwaartekracht. Toch zou ze volgens berekeningen zo’n 85 procent van alle materie in het universum uitmaken. Wat het precies is (onbekende deeltjes, iets fundamenteel nieuws in de natuurkunde, of misschien een aanpassing van de zwaartekracht zoals we die kennen), blijft een open vraag.

Een populaire kandidaat

Een van de populairste kandidaten voor donkere materie zijn de zogeheten WIMP’s, wat staat voor Weakly Interacting Massive Particles, ofwel zwak interagerende massieve deeltjes. Dit zouden zware deeltjes zijn die nauwelijks met gewone materie botsen. Dat maakt ze extreem moeilijk te detecteren: ze vliegen meestal dwars door de aarde zonder een spoor na te laten. Als ze bestaan, zouden ze een verklaring bieden voor het raadsel van donkere materie. Veel van de grootste experimenten ter wereld zijn daarom specifiek ingericht om te zoeken naar signalen van WIMP’s.

Ondergronds op jacht

Een daarvan heet LUX-ZEPLIN (LZ), een experiment dat wordt geleid door de Universiteit van Californië in Santa Barbara. Om het experiment uit te voeren, werd een detector gebouwd, diep onder de grond in de staat South Dakota, bijna 1,5 kilometer diep, om beschermd te zijn tegen straling uit de ruimte. Het hart van de detector bestaat uit twee titaniumtanks die gevuld zijn met tien ton vloeibaar xenon, een superzuivere, doorzichtige vloeistof. Dit creëert een stille omgeving zonder storingen en dat is ideaal om piepkleine botsingen op te vangen. Als een WIMP de detectorkern raakt, botst die tegen een xenonatoom. Dat veroorzaakt licht en elektronen, die de detector vervolgens oppikt. Rondom zit een grotere buitendetector die heel de boel isoleert. Dat is nodig om straling te blokkeren of valse signalen te herkennen.

Wat vonden de onderzoekers?

Voor hun nieuwste studie verzamelden de onderzoekers 280 dagen lang data met de detector en voegden ze eerder verzamelde gegevens toe. De metingen leverden geen direct bewijs voor WIMP’s op, maar dat betekent niet dat het experiment voor niets was. De onderzoekers konden vaststellen dat WIMP’s in een groot deel van de eerder denkbare massa’s en interactiesterktes niet bestaan. Vooral rond een massa van veertig keer die van een proton zijn de grenzen nu scherper dan ooit: deeltjes die sterker zouden botsen dan een extreem kleine waarde zijn uitgesloten. Dat is belangrijk, want zo kunnen natuurkundigen bepaalde theorieën van tafel vegen en hun zoektocht gerichter voortzetten.

Toch weten we nog steeds niet of WIMP’s werkelijk bestaan. Het onderzoek voelt dus een beetje als het zoeken naar een speld in een hooiberg. De detector is intussen wel voor andere zaken nuttig. Zo kan die ook andere zeldzame dingen opsporen, zoals neutrino’s van de zon of bijzondere veranderingen in xenon. Het team is van plan door te gaan tot 2028, met in totaal 1.000 meetdagen. De onderzoekers denken daarnaast al na over upgrades en een nog grotere detector genaamd XLZD.