In De klopjacht op donkere materie, het nieuwe boek in de reeks Pocket Science, vertelt wetenschapsjournalist Dorine Schenk hoe natuurkundigen zoeken naar de aard van donkere materie. In dit voorproefje zoomt Schenk in op een populaire donkere-materiekandidaat: de WIMP’s.

Het is tien voor zes ’s ochtends als natuurkundige Tina Pollmann met enkele andere wetenschappers en een groep mijnwerkers klaarstaat bij de lift die hen naar de diepe nikkelmijn zal brengen. Pollmann is daar echter niet voor nikkel. Ze is onderweg naar de donkere-materiedetector DEAP-3600 in het SNOLAB, dat gevestigd is op 2 kilometer diepte in deze actieve mijn in het Canadese Ontario.

Zodra de deur van de mijnlift opengaat, perst iedereen zich in de metalen kooi. Die ratelt vervolgens in een paar minuten tijd 2 kilometer naar beneden, waar de wetenschappers uitstappen en beginnen aan hun wandeling van nog eens 2 kilometer door de vieze mijntunnels. Elke nacht wordt er voor het mijnwerk gesteente opgeblazen.

Toeval speelde een grote rol  bij veel spectaculaire  kosmische ontdekkingen
LEES OOK

Toeval speelde een grote rol bij veel spectaculaire kosmische ontdekkingen

Het heelal zit vol verrassingen. We moeten toevallige ontdekkingen in de wetenschap omarmen, zegt astrofysicus Chris Lintott.

Om het fijne stof dat daarbij vrijkomt sneller te laten neerdalen, zijn er watersproeiers. Als ze bij de ingang van het lab aankomt, zit Pollmann dus onder het stof en de modder. Voordat ze naar binnen mag, moet ze uitgebreid douchen en krijgt ze schone kleding. Pas dan is ze klaar om te beginnen met haar werk bij de detector. Het is dan te hopen dat ze tijdens haar tienurige shift kan doen waar ze voor kwam.

Is ze een bepaalde schroevendraaier vergeten, dan zit er niets anders op dan wachten en eventueel bij andere experimenten helpen tot ze tien uur later weer omhoog kan. Het kan ook gebeuren dat ze enkele uren of de hele shift doorbrengt in de schuilkamer, omdat het alarm afgaat door bijvoorbeeld het uitvallen van de stroom of een kleine aardbeving, veroorzaakt door het mijnwerk.

DEAP-3600

Met DEAP-3600, en zijn kleinere voorgangers, zoeken natuurkundigen zoals Pollmann naar hypothetische donkere-materiedeeltjes genaamd WIMP’s. Donkere materie is het onbekende goedje waar ruim 80 procent van de massa van het heelal uit lijkt te bestaan.

Eind jaren tachtig waren de meeste deeltjesfysici en astrofysici het erover eens dat de meest waarschijnlijke kandidaten voor donkere materie nieuwe, nog onontdekte deeltjes waren die traag bewegen en geen elektrische lading hebben. Binnen de wildgroei aan exotische deeltjes die theoretici vervolgens voorstelden, was er een groep deeltjes die gezamenlijk de naam WIMP’s (weakly interacting massive particles) kreeg. Onder WIMP’s vallen onder meer de zogeheten neutralino’s, die uit een theorie genaamd supersymmetrie komen rollen, en bepaalde zware varianten van bekende elementaire deeltjes genaamd neutrino’s.

Donkere-materiedetector DEAP-3600 zit verstopt op 2 kilometer diepte in een actieve mijn in Canada. Beeld: The Deap Dark Matter Experiment 2018.

WIMP’s

WIMP’s zijn dus niet één type deeltje dat uit één specifiek idee voortkomt. Het is een verzameling van verschillende deeltjes uit verschillende theoretische modellen, met overlappende eigenschappen. Zo oefenen ze allemaal invloed uit via de zwaartekracht en bewegen ze relatief langzaam. Natuurkundigen noemen langzaam bewegende deeltjes ‘koud’. Daarnaast geldt voor deze deeltjes dat hun massa minimaal honderd maal de massa van een elektron is, en gemiddeld enkele malen tot een paar honderd keer de massa van een proton (de kern van een waterstofatoom).

Verder gaan natuurkundigen ervan uit dat WIMP’s ontstaan zijn in het vroege heelal, net als de bekende materie. En ze vermoeden dat de deeltjes zich via de zwakke kernkracht, die ook verantwoordelijk is voor een bepaalde vorm van radioactief verval, kunnen bemoeien met gewone materie. Om het allemaal nog wat ingewikkelder te maken, lijkt het op papier ook mogelijk dat ze zich niet via de bekende zwakke kernkracht, maar via een nog onontdekte, andere zwakke kracht bemoeien met gewone materie.

WIMP’s groeiden uit tot de populairste donkere-materiekandidaat, omdat ze goed passen bij de verschillende observaties die wijzen op het bestaan van donkere materie en omdat de meeste WIMP’s vanzelf uit modellen rollen die ook andere open vragen in de natuurkunde beantwoorden. Een voorbeeld is het neutralino dat voortkomt uit de theorie van supersymmetrie, die een verklaring biedt voor de kleine massa van het in 2012 ontdekte higgsdeeltje. WIMP’s werden zodoende een van de meest gezochte donkere-materiekandidaten, waar fysici zoals Pollmann naar speuren.