Nieuw experiment test omstreden signaal van donkere materie

In de cleanroom: Karoline Schäffner en haar team voltooien hun werkzaamheden aan de cryostaat. (Foto: COSINUS Collaboration)

Schematische opbouw van het COSINUS-experiment (tekening: COSINUS Collaboratie) / Opstelling van het COSINUS-experiment (tekening: COSINUS Collaboratie)

Een team van wetenschappers en technici bij de installatie van de cryostaat. (Foto: COSINUS Collaboration) / Een team van wetenschappers en technici installeren de cryostaat. (Foto: COSINUS Collaboration)

De detector: Een kristal van natriumjodide - hetzelfde materiaal als in het DAMA/LIBRA-experiment. (Foto: COSINUS Collaboratie) / The detector: A crystal of sodium iodide - the same material as in the DAMA/LIBRA experiment. (Photo: COSINUS Collaboration)

In Italië werd op 18 april 2024 een grootschalig experiment ter bewijs van Donkere Materie ingewijd. COSINUS is een internationaal onderzoeksproject, waaraan ook een team van het Max-Planck-Institut für Physik (MPP) beteiligt is.

De aard van Donkere Materie behoort tot de grote vragen van de moderne fysica. Volgens de huidige kennis vormt de onzichtbare Donkere Materie 85 procent van de totale massa in het universum. In het Italiaanse ondergrondse laboratorium Gran Sasso (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) wordt vandaag het COSINUS*-experiment in gebruik genomen. Het onderzoeksproject moet nagaan of een ander experiment (DAMA/LIBRA) daadwerkelijk signalen van Donkere Materie heeft gemeten – of niet. COSINUS is een samenwerking tussen de TU Wenen, het Instituut voor Hoge-energie fysica van de ÖAW, het Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italië), het Helsinki Institute of Physics (Finland) en het MPP.

Voor het COSINUS-project is een speciaal instrument ontwikkeld. Hierbij wordt een kristal gekookt tot uiterst lage temperaturen om de energie van deeltjes met hoge precisie te kunnen meten. Als Donkere Materie bestaat uit tot nu toe onbekende deeltjes, zou de aarde onderweg door het heelal hiermee in botsing moeten komen. Deze botsingen zouden in het meetinstrument kunnen worden aangetoond.

Het DAMA/LIBRA-experiment heeft gegevens verzameld die in overeenstemming zijn met deze veronderstelling, maar worden betwist omdat de bevestiging door een ander experiment tot nu toe uitblijft.

Plant de aarde zich door een nevel van Donkere Materie?

Als Donkere Materie daadwerkelijk kon worden aangetoond, zouden de metingen gedurende het jaar variëren. Waarom? De zon en al haar planeten – dus ook de aarde – bewegen met een snelheid van ongeveer 220 kilometer per seconde om het centrum van de Melkweg. De aarde draait op haar beurt met een snelheid van ongeveer 30 kilometer per seconde om de zon, en voor een volledige omloop heeft ze een jaar nodig. Een half jaar beweegt de aarde dus in dezelfde richting als de zon, de andere zes maanden in de tegenovergestelde richting.

„Als onze melkweg doordrongen is van deeltjes uit Donkere Materie, zou de aarde soms sneller, dan weer langzamer door deze ‘nevel’ bewegen“, legt de MPP-wetenschapper Karoline Schäffner uit, technisch leider van COSINUS. „De situatie lijkt op een autorit in de regen: hoe sneller we rijden, des te meer regendruppels op de voorruit slaan. We verwachten dus dat we op verschillende momenten verschillende hoeveelheden Donkere Materie kunnen detecteren.“

Precies dat heeft het DAMA/LIBRA-experiment, dat sinds 1995 loopt, opgeleverd: men detecteerde inderdaad een signaal waarvan de intensiteit gedurende het jaar regelmatige veranderingen vertoonde – een aanwijzing voor Donkere Materie. Maar andere experimenten konden deze resultaten niet herhalen.

Het ontbreken van bevestiging door andere experimenten houdt de internationale onderzoekswereld al jaren bezig. „Met ons nieuwe project is er de kans om dit raadsel op te lossen“, zegt Karoline Schäffner. „Wij gebruiken in onze detector natriumjodide, hetzelfde materiaal als in het DAMA/LIBRA-experiment, om de resultaten te kunnen vergelijken. Onze opstelling zal echter een veel hogere nauwkeurigheid bereiken.“

Warmte en licht

In het DAMA/LIBRA-experiment wordt alleen het licht gemeten, niet de warmte. Er zijn al twee andere experimenten waarbij wetenschappers proberen de DAMA/LIBRA-experimenten te reproduceren. Zoals het origineel meten beide alleen licht – in tegenstelling tot COSINUS, dat op twee verschillende signalen is afgestemd.

Het hart van COSINUS is een cryostaat – een soort koelkast voor extreem lage temperaturen – waarin een kristal van natriumjodide kan worden gekoeld tot 1-2 honderdsten graad boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius). Wanneer dit kristal wordt getroffen door deeltjes uit Donkere Materie, ontstaan er twee reacties in de detector: Ten eerste worden de atomen van het kristal in trilling gebracht – het kristalrooster begint te bewegen en wordt warmer. De daarbij opgenomen warmte-energie kan zeer nauwkeurig worden gemeten. Ten tweede ontstaat er in het kristal ook licht, dat COSINUS eveneens kan ‘zien’.

Bekende of onbekende deeltjes?

De studie van twee signalen geeft bovendien aanwijzingen over welke deeltjes het betreft. „Dat is belangrijk, want niet elk signaal dat men in zo’n detector meet, wijst op Donkere Materie“, legt Karoline Schäffner uit. „Het kan bijvoorbeeld gaan om gewone elektronen die ontstaan door natuurlijke radioactiviteit. Of ook om neutronen die worden geproduceerd door kosmische deeltjes.“

Om signalen van Donkere Materie te ontdekken, moeten onderzoekers de kristal zo effectief mogelijk beschermen tegen achtergrondruis. Daarom staat de detector goed beveiligd in een bergmassief, in het grootste ondergrondse laboratorium ter wereld: in de INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italië), ongeveer honderd kilometer van Rome verwijderd. Onder 1.400 meter gesteente biedt een tunnelsysteem ruimte voor een groot aantal uiterst gevoelige experimenten – ook het DAMA/LIBRA-experiment is daar opgesteld. Daarnaast worden de detectors in een zeven meter hoge tank met hoogwaardig water geplaatst.

Het COSINUS-project wordt op 18 april 2024 geopend in het INFN-LNGS. Eerste resultaten van de metingen worden in 2025/26 verwacht.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches