Met uiterst nauwkeurige metingen hopen wetenschappers donkere materie op te sporen die tot nu toe onvindbaar bleef.
Donkere materie is een mysterieuze stof die ongeveer 25 procent van het universum uitmaakt. Het lastige is alleen dat we die materie niet direct kunnen zien, waardoor we nog steeds niet precies weten wat het is. Ondanks talloze verwoede pogingen blijft de aard van donkere materie raadselachtig. Daarom hebben onderzoekers nu zwaar geschut ingezet, in de hoop hiermee een stap dichter bij het ontrafelen van het mysterie te komen.
Donkere materie
Hoewel donkere materie onzichtbaar is, zijn we er zeker van dat het bestaat. Onderzoekers concluderen dit uit de bewegingen van sterren in sterrenstelsels. Zonder donkere materie zouden deze sterrenstelsels uit elkaar vliegen. Wat we verder over donkere materie weten, is dat het voornamelijk door zwaartekracht in wisselwerking staat met de rest van het universum. Tegenwoordig is hier zelfs nog meer overtuigend bewijs voor door een fenomeen dat bekend staat als zwaartekrachtslenzen. Hierbij buigt de zwaartekracht van donkere materie het licht van een object dat verder van de waarnemer verwijderd is, af. Een andere belangrijke eigenschap van donkere materie is dat het heel koud is. Dit betekent dat de deeltjes zich niet met extreem hoge snelheden door het oeruniversum bewogen, wat bijvoorbeeld wel het geval is voor fotonen en neutrino’s. Als donkere materie heet was geweest, had het universum er niet zoals nu uitgezien. Door snelle bewegingen van een heet donker materiedeeltje kunnen kleine sterrenstelsels zich lastiger vormen terwijl we dit soort sterrenstelsels juist overal om ons heen zien. Bovendien hebben astronomen aangetoond dat donkere materie een cruciale rol speelt bij de vorming van sterrenstelsels.
Onsuccesvol
Maar in veel opzichten weten we eigenlijk beter wat donkere materie níet is. Het heeft geen interactie met licht en weinig tot geen interactie met gewone materie. Hierdoor is het uiterst moeilijk om de aard van donkere materie te achterhalen. Pogingen om donkere materie direct te detecteren zijn tot nu toe dan ook nog tevergeefs. “Donkere materie heeft een extreem zwakke interactie met gewone materie”, vertelt onderzoeker Benjamin Roberts in gesprek met Scientias.nl. “Dit maakt het bijna onmogelijk om het direct in een laboratorium te detecteren, ondanks dat we de zwaartekrachtseffecten ervan overal in het universum kunnen zien. Het is niet zo gek dat er deeltjes zijn die nauwelijks met licht of gewone materie reageren, maar dat maakt ze wel enorm lastig te detecteren en te bestuderen.”
Atoomklokken en lasers
In een nieuwe studie ontwikkelde Roberts samen met zijn collega’s een innovatieve techniek om donkere materie toch te kunnen detecteren. Zo besloten ze atoomklokken en lasers in te zetten. “Atoomklokken zijn waanzinnig precieze instrumenten – de meest nauwkeurige apparaten die ooit zijn gemaakt”, legt Roberts uit. “Ze kunnen tot op de laatste fractie van een seconde meten, met een nauwkeurigheid van wel 10^18 (18 nullen). Dit betekent dat ze in theorie zelfs de kleinste interacties kunnen detecteren. Elke zwakke wisselwerking tussen donkere materie en gewone materie zou zich kunnen uiten als verstoringen in de tiksnelheid van de klok. Om deze klokken aan te sturen, worden uiterst stabiele lasers gebruikt. Het laserlicht zet de atoomovergangen in gang die voor de klok essentieel zijn. Op korte tijdschalen werken lasers net als klokken, omdat ze op een vaste frequentie draaien, waardoor ze dezelfde principes volgen als atoomklokken.”
Het experiment
De onderzoekers analyseerden gegevens van een netwerk van ultrastabiele lasers, verbonden via glasvezelkabels, en van twee atoomklokken aan boord van GPS-satellieten. “Donkere materie gedraagt zich in dit geval als een golf, omdat het een zeer lage massa heeft”, legt onderzoeksleider Ashlee Caddell uit. Door de klokken op verschillende plekken te plaatsen, probeerde het team veranderingen in die golf waar te nemen. Dit zou zich uiten in klokken die verschillende tijden aangeven of op verschillende snelheden tikken. Dit effect wordt sterker naarmate de klokken verder van elkaar afstaan. “Als donkere materie, zelfs al is de interactie extreem zwak, met atomen in wisselwerking treedt, zou dit de energieniveaus van de atomen een beetje verstoren”, weet Roberts. “Hierdoor verandert de laserfrequentie die nodig is om in resonantie te blijven. Dit zou ons in staat stellen om het ‘golven’ van het donkere materieveld te detecteren, zichtbaar als periodieke schommelingen in de klokfrequentie.”
Onopgemerkt
Dankzij deze nieuwe techniek kunnen wetenschappers nu zoeken naar vormen van donkere materie die bij eerdere onderzoeken onopgemerkt bleven, omdat ze geen licht of energie uitzenden. “Door uiterst nauwkeurige metingen over grote afstanden te vergelijken, hebben we subtiele schommelingen in donkere-materievelden opgespoord die in traditionele experimenten onzichtbaar zouden blijven doordat ze elkaar opheffen”, zegt Caddell. “Het spannende is dat we konden zoeken naar signalen van donkere materie die met alle atomen samenwerkt, iets wat eerdere experimenten niet konden vinden.”
Belangrijkste bevinding
Dat is volgens Roberts ook meteen de belangrijkste bevinding van het onderzoek. “We hebben een nieuwe manier gevonden om donkere materie te detecteren”, verduidelijkt hij. “Als donkere materie heel licht is en overal op dezelfde manier werkt, zouden bestaande experimenten het signaal niet opmerken, omdat het zou wegvallen. In ons experiment gebeurt dat niet, omdat de klokken en lasers op verschillende plekken en tijden meten. Wat deze experimenten extra interessant maakt, is dat ze relatief goedkoop zijn. De lasers en atoomklokken worden al voor praktische toepassingen gebruikt, zoals navigatie en tijdwaarneming (denk aan GPS). Door deze bestaande technologie in te zetten voor fundamenteel natuurkundig onderzoek, kunnen onderzoekers diepgaande vragen beantwoorden zonder dat er enorme extra kosten voor nodig zijn.”
Geen interacties
Hoe succesvol de zoektocht naar donkere materie was? “We hebben geen interacties met donkere materie ontdekt”, vertelt Roberts desgevraagd. “Dit was echter een eerste experiment met bestaande gegevens. Het belangrijkste resultaat was dat dit type experiment in theorie mogelijk effectief is. We hopen in de toekomst veel grotere gevoeligheid te bereiken met verdere experimenten.”
Volgens Roberts helpt deze studie wetenschappers een stap dichter bij het ontrafelen van een van de meest mysterieuze en fundamentele bouwstenen van het universum. De vraag is echter of we ooit het mysterie omtrent donkere materie volledig kunnen ontraadselen. “Ik denk dat de kans groot is dat we binnen de komende tien jaar donkere materie direct kunnen waarnemen in experimenten”, zegt Roberts. “Als dat lukt, kunnen we de eigenschappen ervan beter begrijpen en veel nieuwe inzichten opdoen. In het ergste geval is de interactie van donkere materie zo zwak dat we het voorlopig niet in een laboratorium kunnen waarnemen, althans niet in de nabije toekomst. We gaan het zien.”
