Hebben we eindelijk donkere materie gevonden?

Openingsfoto: Het LUX-ZEPLIN (LZ)-experiment, bestaande uit zeven ton vloeibaar xenon dat begraven ligt in een verlaten mijn in South Dakota. Vandaag hebben wetenschappers van de LZ-samenwerkingsgroep bekendgemaakt dat ze een deeltjesbotsing hebben waargenomen die ze niet kunnen verklaren. (copyright: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility)

Op 16 juni 2023, 39 seconden na 15.22 uur en ruim anderhalve kilometer onder de Black Hills in South Dakota, was er plotseling een lichtflits.

Het gebeurde in een donkere, afgesloten tank met extreem koude vloeistof in een grot waar mijnwerkers ooit goud uit de wanden beitelden. De flits, die werd vastgelegd door de vele camera’s van de tank, stuurde ook een elektrische lading door haardunne draden die in de vloeistof waren ondergedompeld.

De tank vormt het middelpunt van het LUX-ZEPLIN (LZ)-experiment, een van de vele lopende pogingen van natuurkundigen om donkere materie te vangen en te bestuderen – iets waarvan ze vermoeden dat het overal zit, maar dat op de een of andere manier nergens te vinden lijkt. Ze zijn er al veertig jaar naar op zoek door detectoren te plaatsen op enkele van de stilste en meest afgelegen plaatsen op aarde, waar het gefluister van donkere materie misschien zou kunnen worden geregistreerd. Maar tot nu toe hebben ze telkens niets gevonden; voor elke lichtflits of stroomstoot was er elke keer een alledaagsere verklaring.

Deze flits van drie jaar geleden is anders. De lading en het licht lijken samen te wijzen op een heftige botsing tussen een onbekend deeltje en de kern van een van de atomen van de detector. De gebeurtenis vertoont vrijwel geen gelijkenis met de zogenaamde ‘achtergronden’ – alledaagse bronnen van flitsen die donkere materie nabootsen – waartegen de honderden wetenschappers van de LZ-samenwerking hun hele carrière hebben gestreden.

Toch klopt de botsing ook niet met het soort signaal van donkere materie waarnaar ze op zoek zijn geweest. Het is met andere woorden een compleet mysterie. Maar na vier decennia zonder resultaten is een nieuw mysterie welkom.

‘Ik wacht al veertig jaar op een positief resultaat’, aldus Katherine Freese, theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Texas in Austin, wiens werk mee de inspiratie vormde voor het onderzoek. ‘Je kunt er dus zeker van zijn dat ik ontzettend enthousiast ben over de resultaten van LZ.’

De LZ-samenwerkingsgroep maakte de vondst vandaag bekend tijdens een presentatie op de TeVPA-conferentie in Japan. Een bijhorend artikel is ingediend bij Physical Review Letters. Volgens de beste schattingen van het project is de kans dat de flits een statistische toevalstreffer is ongeveer een half procent (wat nog steeds ver boven de drempel van 0,00003 procent ligt die in deeltjesfysica-experimenten wordt gehanteerd om van een ontdekking te spreken).

Het heelal dat we zien als we de ruimte in kijken, is bijna onmogelijk te begrijpen zonder donkere materie. Het materiaal dat onze telescopen kunnen waarnemen, wervelt te snel en vormt te snel klonten die te dicht zijn om ze eenvoudig te verklaren. De eenvoudigste verklaring is in feite dat er, in vergelijking met de materie die we kunnen zien, vijf keer zoveel onzichtbaar en inert materiaal moet zijn dat zwaartekracht uitoefent maar geen licht uitstraalt. Deze donkere materie is alomtegenwoordig en overvloedig aanwezig, maar we hebben geen idee waaruit ze bestaat.

Detectoren zoals LZ zijn gebaseerd op een veronderstelling, meer bepaald dat donkere materie bestaat uit zwak interagerende massieve deeltjes (WIMPs). Dit zijn hypothetische deeltjes die bijna altijd als geesten door gewone materie glippen. Maar heel zelden zouden ze ermee in wisselwerking treden, waarbij ze willekeurig met een atoom in botsing komen. LZ en zijn concurrenten zijn in een race verwikkeld om zoveel mogelijk atomen in de stilste plekken te proppen die ze kunnen vinden, om deze botsingen te detecteren.

Toch doorbreken sporen van achtergrondradioactiviteit soms de ondergrondse stilte, waarbij de activiteit door de beschermende laag gesteente van de LZ van ruim anderhalve kilometer dik heen dringt, of zelfs uit de materialen sijpelt waarmee de wanden van de detector zijn bekleed. Maar natuurkundigen kunnen veel van deze gebeurtenissen onderscheiden van hun beste schatting van de signalen van donkere materie en proberen het aantal incidenten zo veel mogelijk te beperken. Dat één enkele onverklaarbare gebeurtenis zo’n grote statistische betekenis kan hebben, toont aan hoe ongelooflijk gevoelig de technologie is geworden. ‘We hebben onze meter zo gemaakt dat de naald zou opspringen als hij zo’n gebeurtenis zou waarnemen’, zegt Knut Morå, natuurkundige aan de Universiteit van Zürich en lid van de LZ-samenwerkingsgroep. ‘Alles werkt zoals het bedoeld is.’

De botsing van juni 2023 voldoet aan de meeste WIMP-verwachtingen van het team – behalve dat hij veel te explosief is. Om een dergelijke hoogenergetische WIMP-gebeurtenis te kunnen waarnemen, zou LZ volgens de meeste standaardtheorieën al tientallen of honderden mildere gebeurtenissen moeten hebben waargenomen – wat niet het geval is. Dus als dat wat LZ waargenomen heeft een WIMP is, moet dit deeltje uitzonderlijk vreemd zijn – het moet op een iets andere manier in wisselwerking staan met gewone materie of op de een of andere manier tot een hogere snelheid zijn versneld.

‘Aangezien we niet weten wat donkere materie precies is, vind ik het niet vreemd dat het misschien niet precies is wat we verwachten’, zegt Hugh Lippincott, universitair docent aan de Universiteit van Californië in Santa Barbara en lid van de LZ-samenwerkingsgroep.

Of dit signaal uiteindelijk echt blijkt te zijn, valt op dit moment nog niet te zeggen. Wat nu al zeker is, is dat het een stortvloed aan artikelen zal ontketenen waarin wordt geprobeerd uit te leggen hoe aanpassingen aan verschillende theoretische varianten van WIMP’s het mysterieuze voorval van LZ zouden kunnen verklaren. ‘Het is heel goed mogelijk dat ze andere soorten interacties waarnemen, wat volkomen aannemelijk is,’ zegt Freese.

De samenwerkingsgroep zelf maant ook aan tot voorzichtigheid. ‘We moeten niet te snel specifieke uitspraken doen over donkere materie of over nieuwe fysica op basis van één enkele gebeurtenis’, zegt Morå. Bovendien hebben de wetenschappers van het team de gegevens geanalyseerd zonder zichzelf te ‘verblinden’, een aanpak om vooringenomenheid te voorkomen die in de deeltjesfysica als de gouden standaard wordt beschouwd. (Ze probeerden een alternatieve aanpak, ‘salting’ genaamd voor de kenners, maar verklaarden dat die niet succesvol was.)

Gelukkig moeten er in de nabije toekomst meer antwoorden komen, op basis van een grotere hoeveelheid gegevens die op de juiste wijze is verblind. ‘Dit betrof 200 dagen aan gegevens. We hebben in feite meer dan 700 dagen aan verblindde gegevens’, zegt Richard Gaitskell, hoogleraar aan Brown University en medewoordvoerder van LZ. ‘Dat plaatst ons dus in een sterke positie om dit te bestuderen.“

Die gegevens zullen ofwel aantonen dat deze ene gebeurtenis een anomalie was, ofwel meer soortgelijke gebeurtenissen aan het licht brengen. In het laatste geval zullen twee concurrerende experimenten, PandaX-4T en XENONnT, helpen bepalen of LZ daadwerkelijk WIMPs heeft waargenomen of een nog onbekende achtergrondruis.

Voorlopig doet het LZ-samenwerkingsverband zijn best om de verwachtingen in toom te houden. ‘Je krijgt af en toe van die flitsen van: wacht eens even, zou dit het dan echt kunnen zijn?’, zegt Morå. ‘Maar het zou schadelijk zijn voor de analyse om in die mindset te zitten, en ik denk niet dat veel mensen dat doen.’ Lippincott is het daarmee eens. ‘Het wijkt ver af van alle bekende achtergronden,’ zegt hij, ‘dus het is moeilijk om je géén vragen te stellen.’

De mysterieuze botsing komt op een gevaarlijk moment voor de race om donkere materie. ‘Het is een goed moment voor de natuur om ons dit cadeau te geven”, zegt Juan Collar, een natuurkundige aan de Universiteit van Chicago, die geen deel uitmaakt van de LZ-samenwerking. Detectoren worden zo groot en zo gevoelig dat ze binnenkort overspoeld zullen worden door andere spookachtige deeltjes, neutrino’s genaamd, die in de zon en in de atmosfeer van de aarde worden gegenereerd. Op dat moment zou de race moeten worden stopgezet – of op zijn minst moeten worden verlegd van WIMP’s naar andere, ongrijpbare prooien.

Dit is je laatste kans om een WIMP te zien – als hij er niet is, moet je ergens in de komende tien jaar de tent sluiten,’ zegt Collar. ‘Dit zou het begin kunnen zijn van iets spectaculairs.’