Het experiment XENON1T werd gebouwd om donkere-materie-deeltjes genaamd WIMPs op te sporen. Nu meldt het team achter de detector een ánder vreemd resultaat. ‘We hebben niets ontdekt – maar wel iets gezien.’

Dé gedoodverfde oplossing voor het donkere-materie-probleem – de constatering dat het overgrote deel van de materie in ons heelal onzichtbaar is – is al decennialang de WIMP, voluit weakly interacting massive particle. De vele experimenten die zijn opgetuigd om dit deeltje te vinden, hebben echter nooit een steekhoudende ontdekking kunnen claimen. Wel is met de gevoeligste WIMP-zoeker tot nu toe, XENON1T, iets anders interessants gezien – misschien wel de eerste tekenen van een alternatieve donkere-materie-kandidaat.

Botsingsoverschot

XENON1T bestond in de basis uit enkele tonnen van het edelgas xenon. Als donkere materie uit WIMPs bestaat, zou zo’n deeltje af en toe tegen een xenonatoomkern botsen, wat een meetbaar signaal zou opleveren. Uit een nieuwe analyse blijkt dat bij de laagste energieën meer botsingen zijn gemeten dan je op basis van de bekende processen zou verwachten: 285 in plaats van 232.

WIMPs zijn niet verantwoordelijk voor die botsingen, zo is wel duidelijk. Uit de signalen blijkt namelijk dat het botsingen met elektronen betreft, in plaats van met atoomkernen. En als WIMPs zulke botsingen zouden hebben veroorzaakt, zouden die een bijna duizend keer lagere energie hebben gehad. Maar wat is er dan wel aan de hand?

Een mogelijkheid is dat neutrino’s net iets andere eigenschappen hebben dan we dachten. Om precies te zijn gaat het om het magnetisch moment: een getalletje dat aangeeft in welke mate zo’n deeltje zich als een piepklein magneetje gedraagt. Stel dat dat ongeveer een miljard keer groter is dan we dachten, dan zouden er zoveel meer neutrino’s botsen dat daarmee het botsingsoverschot is te verklaren.

Zonne-axionen

Dat zou al bijzonder zijn – maar er is een nog spannendere mogelijkheid. Eind jaren zeventig werd het axion voorspeld, een deeltje voortkomt uit de oplossing voor een theoretisch natuurkundig vraagstuk (voor de fijnproevers: het zogenoemde sterke-CP-probleem). Al snel werd duidelijk dat deze deeltjes in één moeite ook het donkere-materie-probleem zouden kunnen oplossen, mits ze licht genoeg zijn.

Nu is XENON1T in principe niet in staat om zulke lichte axionen op te merken. Als ze bestaan, zou de zon ze echter ook moeten produceren. ‘En dan krijgen deze deeltjes een boel energie mee’, zegt deeltjesfysicus Auke Pieter Colijn, betrokken bij het experiment. ‘Daardoor hebben ze tóch voldoende energie om een botsing te veroorzaken.’

‘Stel nu dat blijkt dat we inderdaad zonne-axionen hebben waargenomen, dan hebben we daarmee nog niet aangetoond dat donkere materie uit deze deeltjes bestaat’, waarschuwt Colijn gelijk. ‘Maar ik zou ze wel een veel aantrekkelijkere kandidaat gaan vinden.’

Radioactieve waterstof

Nu kan het heel goed zo zijn dat er iets minder spannends aan de hand is. Een mogelijkheid is dat het simpelweg een statistische oprisping is, die verdwijnt in toekomstige metingen. ‘Dat gebeurt wel vaker binnen deeltjesfysica’, zegt Colijn. ‘Maar in dit geval vermoed ik dat er iets anders aan de hand is.’

Een mogelijkheid die de onderzoekers in hun artikel uitvoerig bespreken, is dat er tussen het xenon – hoewel dat in principe extreem goed gezuiverd is – een relatief grote hoeveelheid tritium te vinden is. Deze radioactieve variant van waterstof kan namelijk door te vervallen een signaal veroorzaken dat lijkt op het gemeten botsingsoverschot.

‘Dan zou er wel veel meer tritium in de detector moeten zitten dan we dachten’, zegt Colijn. ‘Dat zou heel vreemd zijn. Aan de andere kant: het is wel een bekend atoom. Dus mijn experimentele instinct neigt toch richting tritium, ook al kunnen we niet verklaren hoe dat in de detector is beland.’

Iets anders om in de gaten te houden, is dat we niet zo heel goed weten hoe radioactief verval werkt bij de lage energieën waar het hier om gaat, stelt Colijn. En ook daar zou de verklaring voor het gemeten signaal in kunnen huizen. Een grote, bekende ‘stoorfactor’ waar XENON1T mee te maken kreeg, is namelijk een hele keten van radioactieve vervallen, die begint met het element radon. ‘Op een gegeven moment ontstaat dan de isotoop lood-214 en het verval daarvan veroorzaakt met afstand de meeste botsingen in het xenon die níét interessant zijn. Dus als we dat verval niet helemaal goed begrijpen, kan dat zomaar een onverwacht effect hebben op de resultaten’, zegt Colijn.

Kwestie van afwachten

De hoop is nu gevestigd op de opvolger van XENON1T, genaamd XENONnT, die minstens twee keer zo gevoelig zal zijn. Eind dit jaar hopen Colijn en collega’s de eerste testrun te doen met dit experiment. Een jaar later verwachten ze dan te kunnen melden of ze eenzelfde botsingsoverschot meten als bij XENON1T of niet.

Ondertussen wordt in de VS gewerkt aan het vergelijkbare experiment LZ. Colijn: ‘Als onze collega’s bij LZ niets zien en wij wel, moeten we ons toch eens achter de oren krabben.’

Maar zelfs áls XENONnT en LZ het resultaat van XENON1T bevestigen, is daarmee niet automatisch duidelijk wat het veroorzaakt. ‘Wel hebben we nieuwe methodes ontwikkeld om het xenon nóg beter schoon te maken’, zegt Colijn. ‘Dus als tritium de boosdoener is, zou je verwachten dat het signaal zwakker wordt bij XENONnT. Terwijl die zonne-axionen niet zullen verdwijnen zolang de zon er is. Dus dan wordt het signaal alleen maar sterker met een betere detector.’

Kortom: een kwestie van afwachten. Misschien is het een signaaltje dat verdwijnt, misschien blijkt het te wijten aan een vervuiling in het xenon of het feit dat we radioactief verval onder bepaalde omstandigheden niet zo goed begrijpen. Maar misschien is het XENONnT-resultaat ook wel de allereerste aanwijzing dat we écht iets nieuws op het spoor zijn. We gaan het zien.

Special deeltjes
LEESTIP: in de nieuwe special Deeltjes staat een uitgebreid interview met Auke Pieter Colijn over XENONnT en de zoektocht naar donkere materie. Bestel hem in onze webshop.