Het zichtbare heelal is goed voor slechts 5 procent van het universum. En de overige 95 procent? Die ligt verscholen in een mysterieus, ongrijpbaar fenomeen dat we donkere materie noemen. Gaan we nu, op een onwaarschijnlijke plek, eindelijk direct bewijs vinden van het bestaan daarvan?
Een team onder leiding van Virginia Tech is druk op zoek naar deze ontbrekende massa. Ze doen dit niet met telescopen of deeltjesversnellers, maar door rotsen van meer dan een miljard jaar oud nauwgezet tegen het licht te houden. Patrick Huber is bedenker en hoofdonderzoeker van deze methode. De theoretisch natuurkundige kiest hiermee voor een experimentele aanpak in de zoektocht naar een spoor van donkere materie. Hij heeft een miljoenensubsidie gekregen. Daarmee bouwt Huber een lab om zijn donkere materie-theorieën te testen, en wie weet wat zijn team nog meer gaat ontdekken.
Superdonker
Dat donkere materie bestaat, weten we alleen indirect: sterren en planeten bewegen rond het centrum van sterrenstelsels met meer snelheid dan de zwaartekracht alleen kan verklaren. Deze extra kracht komt volgens onderzoekers door een verborgen massa die zelf geen licht uitstraalt en die alleen een spoor nalaat als een atoomkern van zichtbaar materiaal ermee in botsing komt. Dit ‘botsingsmoment’, als een biljartbal die uit zijn normale baan schiet, zorgt voor een specifiek soort energietrilling.
De afgelopen vijftig jaar hebben natuurkundigen alle denkbare experimenten uitgevoerd om een glimp op te vangen van deze zeldzame energiepieken. Tot nu toe bleef donkere materie echter verborgen. Het is nu dan ook de hoogste tijd om diep de aarde in te gaan, waar het belangrijke bewijs mogelijk in miljarden jaren oude rotslagen te vinden is.
Paleodetectives
Als donkere materie ooit in contact is gekomen met onze planeet, dan is er misschien wel een afdruk van te vinden in mineralen diep in de aarde, is het idee. Het plan om rotsen als ‘ondergrondse detectors’ te gebruiken, werd al in de jaren 80 van de vorige eeuw geopperd, maar het wordt nu pas voor het eerst serieus onderzocht, vanwege nieuwe technologische mogelijkheden. “Het klinkt gek”, zegt Huber, “maar toen ik van dit idee hoorde, dacht ik meteen: dit is waanzinnig. Ik wil dit doen!” Hij zocht uit wat de kosten zijn om de plannen te realiseren. “Anderen kopen een sportauto als ze worden bevangen door een midlifecrisis. Ik bouw een lab”, merkt hij droogjes op.
Atoomkern onder vuur
Door verfijnde beeldtechnieken te ontwikkelen en toe te passen, hoopt Huber met zijn team de microscopisch kleine sporen te vinden van vernietiging in kristalstructuren, veroorzaakt door botsingen met donkere materie. Als een hoogenergetisch deeltje op een atoomkern in een rots knalt, kan die kern letterlijk uit zijn positie worden geschoten, legt onderzoeker Vsevolod Ivanov uit. De lege plek die achterblijft wijst op een structurele verandering in het kristal. “We analyseren een kristal dat miljoenen en miljoenen jaren aan allerlei deeltjes is blootgesteld”, vertelt Ivanov. “Dan halen we daar alle sporen uit die we kunnen verklaren. Wat overblijft, zou wel eens de vingerafdruk van donkere materie kunnen zijn.”
Om verstoringen door kosmische straling te vermijden, vinden de meeste experimenten met donkere materie diep onder de grond plaats. Maar daar doemt een ander probleem op: ook de natuurlijke radioactiviteit van de aarde zorgt voor rimpels op atomair niveau. Het team heeft een manier bedacht om deze achtergrondruis eruit te filteren: ze gebruiken bepaalde mineralen die als detectoren kunnen dienen.
3D-bewijs
Daarvoor werkt Huber samen met het Brain Research Institute van de universiteit van Zürich. Dit instituut stelt hun technologie, die normaal gesproken wordt gebruikt om dierlijke zenuwstelsels in beeld te brengen, ter beschikking. Met behulp van deze techniek heeft het team al 3D-beelden gemaakt van hoogenergetische deeltjestrajecten in synthetisch lithiumfluoride. Hoewel dit kunstmatige kristal niet geschikt is als donkere materie-detector, helpt het wel om alle mogelijke signalen in kaart te brengen. Bovendien leverde het in beeld brengen van de atomaire actie in lithiumfluoride al een aantal onverwachte ontdekkingen op, zoals de mogelijke toepassing in een ‘kerntransparantieapparaat’, die van nut kan zijn bij het controleren van kernreactoren.
Dit “krankzinnige” onderzoeksproject levert nu dus al een aantal onverwachte resultaten op. Huber en zijn team gaan de komende tijd nog dieper en nauwkeuriger op deze elementaire materie in – op zoek naar antwoorden op de vraag of een oud stuk rots ons kan vertellen hoe sterren door het heelal bewegen.
We weten alleen dat donkere materie bestaat doordat we de indirecte effecten ervan op sterren en sterrenstelsels kunnen waarnemen. De bewegingen van die stelsels kunnen alleen consistent zijn met de zwaartekracht en de relativiteitstheorie als er zoiets bestaat als donkere materie. Maar wat het precies is, is volstrekt onduidelijk. Al zijn er wel enkele voorwaarden waar donkere materie aan móét voldoen: het heeft massa, het bevindt zich in grote hoeveelheden in álle sterrenstelsels, het is niet te detecteren en het is diffuus, oftewel het kan niet samenklonteren tot een hemellichaam. Verder is het vermoeden dat het om een nog onbekend elementair deeltje gaat.
