Op het gebied van onderzoek naar donkere materie, zoals in een porseleinkast, is er een olifant: een bewering die moeilijk te geloven, onmogelijk te bevestigen en verrassend moeilijk uit te leggen is. Maar nu hebben we vier instrumenten met hetzelfde type detector als de samenwerking die deze controversiële claim bezit. In de komende drie jaar zullen deze experimenten óf het bestaan van donkere materie bevestigen óf de bewering voor eens en altijd weerleggen, zeggen de natuurkundigen die eraan werken.
"Alles komt goed", zegt Frank Kalaprice van Princeton University in New Jersey, die een van de experimenten leidt.
De eerste aankondiging werd gedaan door de DAMA-samenwerking, waarvan de detector zich in een laboratorium diep onder het Gran Sasso-gebergte ten oosten van Rome bevindt. Meer dan een decennium geleden leverde ze verbazingwekkend bewijs voor donkere materie, een onzichtbare stof waarvan wordt aangenomen dat deze melkwegstelsels met elkaar verbindt door zijn zwaartekracht. De eerste van de nieuwe detectoren zal binnen enkele weken in Zuid-Korea in bedrijf worden genomen. De rest wordt de komende jaren gelanceerd in Spanje, Australië en Gran Sasso. Ze zullen allemaal natriumjodidekristallen gebruiken om naar donkere materie te zoeken, wat geen grootschalig experiment heeft gedaan, behalve DAMA.
Wetenschappers hebben er alle vertrouwen in dat donkere materie bestaat en dat deze minstens vijf keer groter is dan normale materie. Maar de aard ervan blijft mysterieus. De leidende hypothese is dat ten minste een deel van zijn massa bestaat uit zwak wisselwerkende deeltjes (WIMP's) die af en toe moeten botsen met atoomkernen op aarde.
Natriumjodidekristallen zouden een lichtflits moeten uitstralen als dit in de detector gebeurt. Hoewel natuurlijke radioactiviteit ook dergelijke fakkels produceert, kondigde DAMA in 1998 de ontdekking van WIMP's aan, daarbij verwijzend naar het feit dat het aantal fakkels dat per dag wordt geproduceerd fluctueert met de seizoenen.
Dit is wat zou worden verwacht als het signaal wordt gegenereerd door WIMP's die op de aarde terechtkomen terwijl het zonnestelsel door de donkere materiehalo van de Melkweg beweegt. In dit geval zou het aantal deeltjes dat de aarde kruist, een piek moeten bereiken wanneer de orbitale beweging van de planeet in lijn ligt met de beweging van de zon, begin juni, en afnemen wanneer de beweging tegen de zon ingaat, begin december.
Maar er is één groot probleem. "Als het echt donkere materie was, zouden veel andere experimenten het inmiddels hebben gezien", zegt Thomas Schwetz-Mangold, een theoretisch fysicus aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland - en nog niemand heeft het gezien. Maar tegelijkertijd zijn alle pogingen om zwakke punten in het DAMA-experiment te vinden, inclusief milieueffecten, waarmee wetenschappers geen rekening hielden, niet succesvol geweest. "Er is een modulatiesignaal", zegt Kaijuan Ni van de University of California, San Diego, die werkt aan het XENON1T-experiment met donkere materie. "Maar hoe je dit signaal moet interpreteren - in het voordeel van donkere materie of iets anders - is niet duidelijk."
Geen enkel ander grootschalig experiment gebruikte natriumjodide in zijn detector, hoewel KIMS in Zuid-Korea cesiumjodide gebruikte. De mogelijkheid blijft dus bestaan dat donkere materie op een of andere manier anders interageert met natrium dan met andere elementen. "Totdat iemand een detector afvuurt op hetzelfde element dat de hint achterliet, kun je nergens zeker van zijn", zegt Juan Collar van de Universiteit van Chicago in Illinois, die aan verschillende experimenten met donkere materie heeft gewerkt.
Promotie video:
Velen hebben de moeilijkheid ondervonden om natriumjodidekristallen met de vereiste zuiverheid te laten groeien. Kaliumverontreiniging, die een van nature voorkomende radioactieve isotoop heeft, valt ook op.
Maar drie teams van wetenschappers - KIMS, DM-Ice van Yale University in New Haven en ANAIS van de Universiteit van Zaragoza in Spanje - slaagden erin om kristallen te verkrijgen met een achtergrondniveau van radioactiviteit dat de helft was van dat van DAMA. Het is schoon genoeg om haar resultaten te testen, zeggen wetenschappers.
Wetenschappers van KIMS en DM-Ice hebben samen met het ondergrondse laboratorium Yangyang, 160 kilometer ten oosten van Seoul, een natriumjodidedetector gebouwd. De tool maakt gebruik van een 'actieve veto'-sensor die donkere materie beter kan onderscheiden van achtergrondgeluid dan DAMA, zegt Yengduk Kim, directeur van het Zuid-Koreaanse Center for Underground Physics in Daejeon, dat KIMS runt.
ANAIS bouwt een soortgelijke detector in het ondergrondse laboratorium van Canfranc in de Spaanse Pyreneeën. Samen zullen KIMS, DM-Ice en ANAIS meer dan 200 kilogram natriumjodide vervoeren en gegevens uitwisselen. Vergeleken met de 250 kilo die DAMA had, verwachten de wetenschappers een vergelijkbaar aantal WIMP's te vangen. En hoewel de nieuwe detectoren meer achtergrondruis zullen hebben, kunnen ze het sterkste DAMA-signaal vervalsen of reproduceren, zegt Reina Maruyama van Yale University, die DM-Ice beheert.
Maar Kalapris stelt dat hoge zuiverheid belangrijker is dan massa. Samen met collega's ontwikkelde hij een manier om vervuiling te verminderen, en in januari kondigde hij de ontvangst aan van kristallen die schoner zijn dan DAMA-kristallen. Hij hoopt het achtergrondniveau verder terug te brengen tot een tiende van de DAMA.
Zijn SABRE-project (Active Background Rejection Sodium Iodide) zal een detector huisvesten in Gran Sasso en een andere in het Stowell Underground Physics Laboratory, dat wordt gebouwd in een goudmijn in Victoria, Australië. SABRE gebruikt een detector die het signaal van donkere materie scheidt van de ruis en weegt ongeveer 50 kilogram.
SABRE zal zijn onderzoek en ontwikkeling over ongeveer een jaar voltooien en kort daarna beginnen met de bouw van zijn detectoren, zegt Kalapris. Dan komt de technologie beschikbaar voor andere laboratoria - iets wat DAMA niet heeft gedaan. En als je twee identieke detectoren hebt op het noordelijk en zuidelijk halfrond, kun je begrijpen of milieueffecten de seizoensgebondenheid van donkere materie in de DAMA-resultaten kunnen vervalsen - als het signaal afkomstig was van WIMP's, zullen beide detectoren tegelijkertijd pieken zien.
DAMA heeft veel vertrouwen in de resultaten, zegt Rita Bernabei van de Universiteit van Rome. Ze is niet bijzonder enthousiast over de aanstaande lancering van natriumjodidedetectoren. "Onze resultaten zijn gedurende 14 jaar vele malen gevalideerd, dus we hebben geen reden om uit te kijken naar wat anderen gaan doen", zegt ze. Als andere experimenten de jaarlijkse modulaties niet zien, zal de samenwerking eenvoudig besluiten dat ze niet gevoelig genoeg waren.
Maar wat als de DAMA-wetenschappers gelijk hebben? "In eerste instantie wilde ik de DAMA-resultaten niet geloven, ik nam ze niet eens serieus", zegt Catherine Freese, een theoreticus op het gebied van astro-deeltjes aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor die de DAMA-methode voor seizoensmodulatie voorstelde. Maar aangezien er geen andere verklaring voor hun signaal werd gevonden, was ze gerustgesteld. "Hoe meer iemand zijn experiment bestudeert, hoe meer hij beseft hoe goed het is gedaan."
Ilya Khel
