Nieuw hoofdstuk in de zoektocht naar donkere materie

XENON1T in Halle B van het LNGS: rechts het gebouw, een stalen constructie met glazen wanden, dat de xenon-voorbereiding, de experimentbesturing en gegevensverwerking herbergt, links de grote watertank, waarin de detector is geïnstalleerd. (© XENON Collaboration)

Montage van de XENON1T-detector in de cleanroom. (© XENON Collaboratie)

In het universum moet er vijfmaal meer donkere materie zijn dan de bekende zichtbare materie. Het is echter nog steeds onbekend waaruit deze donkere materie bestaat. Op 11.11.2015 heeft een internationaal wetenschappelijk team in het Gran Sasso ondergrondse laboratorium in Italië het XENON1T-instrument ingewijd, dat een nieuw hoofdstuk opent in de zoektocht naar donkere materie.

Donkere materie is een essentieel onderdeel van het universum, en sinds decennia wordt er met laboratoriumexperimenten naar gezocht. Tot op heden kon donkere materie echter alleen indirect worden waargenomen, namelijk via de zwaartekracht die alle bewegingen van sterren en sterrenstelsels domineert. Het bewijs wijst erop dat donkere materie bestaat uit een onbekende soort stabiele elementaire deeltjes, zogenaamde WIMPs, die tot nu toe aan observatie zijn ontsnapt. WIMPs zouden geestdeeltjes zijn, vergelijkbaar met neutrino's, die oorspronkelijk ook op basis van aanwijzingen werden voorgesteld. "We gaan ervan uit dat ongeveer honderdduizend donkere-materie-deeltjes per seconde de oppervlakte van een vingernagel passeren," zegt Prof. Manfred Lindner, directeur aan het Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. "De kans dat ze met de atomen in onze detector reageren, moet echter uiterst klein zijn – anders hadden we ze al gevonden. Het gebied waarin WIMPs zichtbaar zouden moeten worden, is tot nu toe nog niet uitgebreid onderzocht. Daarom hebben we XENON1T nodig, een veel gevoeliger instrument dat diep doordringt in het gebied waar de zeldzame signalen worden verwacht." De detector is gebouwd door de internationale XENON-collaboratie, bestaande uit 21 onderzoeksgroepen uit de VS, Duitsland, Italië, Zwitserland, Portugal, Frankrijk, Nederland, Zweden, Israël en Abu Dhabi, en die vandaag de ingebruikname van hun nieuwe XENON1T-instrument vierden.

De viering met vertegenwoordigers van de financierende instanties en journalisten vond plaats in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italië, een van de grootste ondergrondse laboratoria ter wereld. Ongeveer 80 gasten verzamelden zich voor de ceremonie in de hal B van LNGS, die 110 meter lang, 15 meter breed en 15 meter hoog is, direct bij het XENON1T-instrument. "Onze detector bevindt zich onder 1400 meter gesteente om hem te beschermen tegen kosmische straling," legt Prof. Uwe Oberlack van de Johannes-Gutenberg-Universiteit in Mainz uit over de locatie van het instrument. "Zelfs op zulke diepte hebben we nog een beschermlaag van 750 kubieke meter hoogwaardig water nodig, die de resterende kosmische straling aangeeft door kleine lichtflitsen en omgevingsradioactiviteit afschermt." Tijdens de voorafgaande introductiebijeenkomst in de gehoorzaal van LNGS, met verdere gasten, werden in lezingen de fysieke motivatie en strategie van het project en de opbouw van de detector gepresenteerd.

Strijd tegen kleinste hoeveelheden omgevingsradioactiviteit

Als detector voor donkere materie gebruikt XENON1T 3,5 ton edelgas xenon als ultrareine vloeistof bij -95 °C. "Om de zeldzame interacties van donkere-materie-deeltjes in de detector te vinden, hebben we een grote hoeveelheid detectormateriaal en een extreem hoge radioactieve reinheid nodig," legt Prof. Christian Weinheimer van de Westfälische Wilhelms-Universität Münster uit. "Anders zouden we geen kans hebben om de echte signalen te onderscheiden van de storingssignalen." Daarom hebben de XENON-wetenschappers alle materialen voor de bouw van het instrument zorgvuldig onderzocht op hun gehalte aan radioactieve verontreinigingen en de zuiverste geselecteerd. Hij voegt toe: "Objecten zonder radioactiviteit bestaan niet; kleine sporen van radioactiviteit zijn overal aanwezig, in metalen, in de muren van het laboratorium en zelfs in ons lichaam. We doen er alles aan om deze radioactieve verontreinigingen zo veel mogelijk te verminderen."

De XENON-onderzoekers meten uiterst zwakke licht- en ladingsignalen, waaruit ze de locatie van de interactie in de detector reconstrueren, evenals de vrijgekomen energie. Alleen signalen uit de binnenste 1 ton van het vloeibare xenon worden als mogelijk veroorzaakt door donkere-materie-deeltjes beschouwd. Het licht wordt geregistreerd door 248 lichtsensoren die zo gevoelig zijn dat ze individuele fotonen kunnen detecteren. Ze bevinden zich samen met het diepgekoelde vloeibare xenon in een soort enorme thermosfles, de cryostaat. Reiniging en verflüssiging van het xenongas vinden plaats in het drievoudige XENON-gebouw naast de grote watertank. Op de begane grond staat een enorme stalen bol met leidingen en ventielen. "Dit ReStoX-systeem, genoemd, kan 7,6 ton xenon zowel gasvormig als vloeibaar opslaan," zegt Uwe Oberlack. "Dat is meer dan de hoeveelheid die voor XENON1T nodig is, maar we willen voorbereid zijn om in de toekomst indien nodig snel de gevoeligheid van de detector te verhogen door een uitbreiding met een grotere hoeveelheid xenon."

Hopen op een donker-materie-signaal

"De ingebruikname vindt precies plaats bij de voltooiing van het nieuwe instrument," zegt Christian Weinheimer, "en we zijn al bezig met het testen van de werking van de componenten. Wanneer XENON1T in bedrijf is, zal het het meest gevoelige experiment ter wereld zijn voor de zoektocht naar donkere materie." Eerste resultaten worden al in het voorjaar van 2016 verwacht, omdat XENON1T na slechts een week meettijd alle eerdere experimenten zal overtreffen. Na 2 jaar meettijd zal de prestaties van het instrument zijn uitgeput, zoals een recent gepubliceerde studie heeft aangetoond. "Natuurlijk willen we donkere materie vinden," zegt Manfred Lindner, "maar zelfs als we na 2 jaar slechts enkele aanwijzingen hebben gevonden, bevinden we ons in een uitstekende positie, omdat we het instrument snel kunnen uitbreiden naar XENONnT om ook de laatste resten van het WIMP-gebied te dekken." Daarvoor is de bestaande infrastructuur grotendeels voldoende.

------

De internationale XENON-collaboratie bestaat uit het Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) in Heidelberg, de Johannes-Gutenberg-Universität Mainz en de Westfälische Wilhelms-Universität Münster. Selectie en controle van detectormaterialen met extreem lage radioactiviteit, ontwikkeling en test van de lichtsensoren en het xenon-doelgebied vallen onder de verantwoordelijkheid van het MPIK. De groep aan de Universiteit Mainz is verantwoordelijk voor de muonde detector. Zij is ook betrokken bij het innovatieve xenon-opslagsysteem ReStoX en de interne detector. De onderzoekers van de Universiteit Münster zijn verantwoordelijk voor de reiniging van het xenon en hebben daarvoor de reinigingscyclus en een unieke laagtemperatuur-distillatie-installatie ontwikkeld. Alle drie de instituten zullen zich inzetten voor dataverzameling, -analyse en kalibratie.

________________________________________________________

Contact:

Max-Planck-Institut für Kernphysik:
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: 06221 516 800
Fax.: 06221 516 802
E-mail: lindner (at) mpi-hd.mpg.de

Johannes-Gutenberg-Universität Mainz:
Prof. Dr. Uwe Oberlack
Tel.: 06131 3925167
Fax.: 06131 3925169
E-mail: oberlack (at) uni-mainz.de

Westfälische Wilhelms-Universität Münster:
Prof. Dr. Christian Weinheimer
Tel.: 0251 8334971
Fax.: 0251 8334962
E-mail: weinheim (at) uni-muenster.de