Donkere materie laat zich maar niet zien

Tien jaar gaf Patrick Decowski zichzelf nog. Dan zou zijn zoektocht succes moeten hebben opgeleverd. Anders stopte hij ermee. “Over tien jaar hebben we de grens bereikt van wat we kunnen meten”, zei hij in Trouw. “Als de donkere materie zich dan nog niet aan ons getoond heeft, zal ze altijd verborgen blijven in de achtergrondruis. Dat zou zeer frustrerend zijn. De theorie zegt dat ze er moet zijn, maar ja, als we haar niet kunnen aantonen, houdt het op.”

Dat zei de deeltjesfysicus van onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam in 2013. Maar nu de termijn die hij zelf gesteld heeft afloopt en zijn zoektocht nog altijd vruchteloos is, wil hij van geen ophouden weten. De metingen met de detector waar hij destijds zijn laatste hoop op had gevestigd, zijn nog niet voltooid.

Intussen staat een nieuwe, grotere detector in de steigers. En een nog grotere ligt op de tekentafel. “Stoppen met zoeken is totaal niet aan de orde”, zegt Decowski. “De meettechnieken zijn verfijnd, waardoor we de grens een factor honderd hebben verlegd. Maar belangrijker nog: dit gaat over een van de grootste vraagstukken uit de natuurkunde.

“Het heelal is volgens het heersende model opgebouwd uit materie waarvan we het grootste deel nooit hebben gezien. Materie die we niet begrijpen. Zo’n vraag kun je toch niet laten liggen?”

Interessante filosofische vragen

Daar heeft Jaco de Swart een andere kijk op. Van huis uit is ook hij fysicus, maar inmiddels heeft hij zijn onderzoeksveld verlegd. Begin dit jaar promoveerde hij aan de Universiteit van Amsterdam op de wordingsgeschiedenis van de onbekende materie en sinds kort zet hij dat onderzoek voort aan het befaamde MIT in Boston.

Als een antropoloog bestudeert De Swart andere fysici met de vraag: hoe onderzoek je iets dat bijna onzichtbaar is? “Ik zeg niet dat ze moeten stoppen. Liever niet zelfs, het zou ook het einde van mijn project zijn. Maar de zoektocht naar donkere materie roept interessante filosofische vragen op. Wanneer vinden fysici het tijd om ergens mee op te houden als er niets wordt gevonden? Wanneer vinden ze het de investering in geld, middelen en denkkracht niet meer waard?”

Het begint pijnlijk te worden. Al bijna een eeuw lang is het astronomen en fysici duidelijk dat er meer is in het heelal dan ze waarnemen. Sterrenstelsels zoals de Melkweg lijken te hard rond te draaien. In ieder geval leveren de zichtbare sterren en planeten te weinig zwaartekracht om de boel bijeen te houden. Op andere plaatsen is het beeld van het heelal vervormd omdat zware objecten de ruimte krommen en het licht van verre sterren afbuigen. Alleen lijken die objecten veel zwaarder dan ze eruitzien.

De ruimte moet zijn gevuld met donkere materie, is het idee. Die objecten, of wat het ook mogen zijn, zijn niet gemaakt van atomen of moleculen zoals wij die op aarde kennen, maar van onbekend spul. Materie die geen licht uitzendt of absorbeert. Of op welke wijze dan ook wisselwerking heeft met de bekende materie. Donkere materie genereert alleen maar zwaartekracht.

Hopen op een minieme vorm van interactie

Dat doet het al sinds het begin der tijden. Ook in het oudste signaal uit het universum, de zogeheten kosmische achtergrondstraling, zien astronomen duidelijke tekenen van donkere materie. En het moet er toen, kort na de oerknal, in grote hoeveelheden zijn geweest. Volgens de kosmologische modellen vormde de materie die wij kennen, net als nu, maar een fractie van het geheel. Ongeveer 85 procent moet donkere materie zijn.

Maar wat is dat? En hoe spoor je zo’n deeltje op als je weet dat je detector is gebouwd uit gewone materie die geen wisselwerking heeft met zo’n donker-materiedeeltje?

Bijvoorbeeld door te hopen dat er toch een minieme vorm van interactie is. Dat is het paard waar Patrick Decowski op wedt: de Wimps, Weakly Interacting Massive Particles. Het is de meest aannemelijke optie, zegt hij zelf.

Om een signaal van een Wimp op te vangen, is in een ondergrondse faciliteit in het Italiaanse Gran Sasso-massief een vat aangelegd met zuiver vloeibaar xenon. Het idee is dat het gebergte alle storende signalen tegenhoudt, terwijl de donkere-materiedeeltjes overal doorheen vliegen. Eerst ging het om 15 kilo xenon, de tweede versie bevatte 165 kilo, het huidige project werkt met 3,5 ton xenon en aan een vat met 8,5 ton wordt gebouwd.

Het wachten is op een botsing van een Wimp met een xenonatoom. Geen fysieke botsing, maar een wisselwerking via de zwakke kernkracht. Decowski: “Door die botsing zou het xenonatoom moeten bewegen en een lichtflitsje moeten afgeven. Ook kunnen er elektronen worden losgeschud. Het zijn minieme signalen, maar die kunnen we meten. En we kunnen er aan zien dat het een dm-deeltje moet zijn geweest.”

De ruis van de neutrino’s

Hoe groter het vat, hoe groter de kans op een treffer, maar er zit een addertje onder het gras. Ook neutrino’s, spookachtige deeltjes die wél tot de bekende materie worden gerekend, dringen ook door de Italiaanse rotsen heen. Op een gegeven moment kun je geen Wimps meer meten omdat de ruis van de neutrino’s alles overtreft. In 2013 dacht Decowski dat hij rond deze tijd die grens bereikt zou hebben, nu denkt hij nog wel even door te kunnen zoeken.

Naast het xenonproject zijn er nog tientallen andere wetenschappelijke groepen die speuren naar signalen van donkere materie. In onderaardse grotten of met satellieten in de ruimte. Dat kunnen Wimps zijn, maar er zijn ook andere kandidaten zoals axionen (hypothetische deeltjes die uit een andere tak van de natuurkunde voortkomen). Al die zoektochten zijn nog vruchteloos gebleven.

Als we het deeltje niet kunnen vinden, kunnen we ook proberen er een te maken. In een deeltjesversneller zoals de LHC bij Genève. Dat klinkt vreemd, de wereld van de donkere materie lijkt gescheiden van het alledaagse, maar dat was in de begintijd van het heelal, kort na de oerknal, niet zo.

In een versneller kun je de condities van die oertijd nabootsen. Dus als je daarin deeltjes maar hard genoeg laat botsen, ontstaat er misschien een donker deeltje. Dat was de gedachte, maar dat is nog nooit gezien.

Gat van de donkere materie vullen

Toch weten we dat donkere-materiedeeltjes bestaan, zegt Henk Hoekstra, hoogleraar observationele kosmologie aan de Universiteit Leiden. “Het neutrino is er namelijk een. Daarvan weten we sinds een aantal jaren dat het massa moet hebben. Ze hebben verder de goede eigenschappen, ze zijn alleen te licht om de ontbrekende zwaartekracht in het heelal te verklaren.”

Omdat het neutrino massa blijkt te hebben, past het niet goed meer in het zogeheten standaardmodel dat de bouwstenen van de gewone materie en hun interacties beschrijft. Het standaardmodel moet dus worden aangepast of uitgebreid en dat biedt perspectieven, zegt Hoekstra.

Want bij zo’n uitbreiding horen nieuwe deeltjes, die het gat van de donkere materie zouden kunnen vullen. Het steriele neutrino wordt in dit verband vaak genoemd. Een soort spiegelbeeld van de bestaande neutrino’s, maar dan wel met voldoende massa. Hoekstra: “Het is opvallend dat veel nieuwe theorieën suggesties doen voor donkere materie. We weten nog niet welke theorie de goede zou kunnen zijn.”

De Swart vindt dit bijster interessant. Zit de fysica niet te veel in een bubbel? De hele infrastructuur is gericht op het vinden van zo’n deeltje. Dat komt onder meer door wat het Wimp-wonder wordt genoemd. In de jaren tachtig probeerden fysici het standaardmodel uit te breiden tot wat ze supersymmetrie noemden.

En daar rolde een deeltje uit – een Wimp – dat precies paste in het raadsel van de donkere materie. “Maar bewijzen voor supersymmetrie zijn nooit gevonden. En is de vraag: hoe verder te zoeken? Elke steen wordt omgedraaid. Met als gevolg de gekste theorieën en een dierentuin aan mogelijke deeltjes.”

Nieuwe theorie van de zwaartekracht

Het lijkt al niet meer op het zoeken naar de spreekwoordelijke speld in de hooiberg, vindt hij. “We zoeken nu zonder dat we weten of er een speld in die berg zit. Zonder dat we weten hoe die speld eruit ziet. Of die speld überhaupt wel bestaat.”

Margot Brouwer wil het concept van de donkere materie nog niet loslaten. Ze heeft voor haar promotie de verdeling ervan in het heelal in kaart gebracht. “Als de donkere materie niet zou bestaan, deugt ons begrip van de zwaartekracht niet. En wordt ons hele begrip van ruimte en tijd overhoop gegooid. De zoekmogelijkheden zijn nog lang niet uitgeput. Ik zeg altijd: je vindt je sleutels ook pas op de plaats waar je het laatst zocht.”

Sommige wetenschappers zoeken de verklaring voor de waarnemingen niet in donkere materie maar in een nieuwe theorie van de zwaartekracht. Erik Verlinde, hoogleraar theoretische fysica aan de Universiteit van Amsterdam, beschrijft zwaartekracht bijvoorbeeld als effect van een dieper proces, zoals luchtdruk en temperatuur het gevolg zijn van bewegende moleculen. Verlinde heeft de donkere materie niet nodig.

Brouwer onderzocht of zijn theorie een volwaardig alternatief is. “Op de schaal van sterrenstelsels wel. Maar een theorie moet alle waarnemingen verklaren. Daarvoor zit de theorie van Verlinde nog te veel in het beginstadium. Wat niet wegneemt dat we ook die route moeten blijven bewandelen. Het zou een enorme paradigmaverschuiving zijn, een ander wereldbeeld dat we ons nu nog niet kunnen voorstellen.”

Bewijs voor het higgsdeeltje

Dat doet denken aan een fysische zoektocht van anderhalve eeuw geleden. Toen leek de ether het enig denkbare antwoord op de vraag hoe elektromagnetische golven zich konden voortplanten. Maar de ether liet zich niet vinden, waarna Einstein de conclusie trok dat die niet bestond. En met zijn relativiteitstheorie de wereld op zijn kop zette.

Of ligt een vergelijking met het higgsdeeltje of de gravitatiegolven meer voor de hand? Het bestaan van het higgsdeeltje was in de jaren zestig geopperd, maar dat werd pas in 2012 in de Geneefse deeltjesversneller bewezen. En de gravitatiegolven, die voortvloeiden uit Einsteins relativiteitstheorie van 1915, werden precies een eeuw later voor het eerst waargenomen.

De overeenkomst is dat de looptijden steeds langer worden, zegt Hoekstra. “De detectoren moeten almaar groter worden voordat je kunt meten wat je zoekt. Met dit verschil: toen waren de doelen bekend, nu weten we niet wat we zoeken. Dat maakt het lastig om een grotere versneller te verantwoorden.”

Wellicht moeten we straks tot de conclusie komen dat donkere materie het meest waarschijnlijke antwoord is, zegt Brouwer, “maar dat de interactie te zwak is om het te kunnen meten”. Dan kun je je afvragen of dit nog wetenschap is, reageert De Swart. “Testbaarheid blijft toch een van de pijlers waar de wetenschap op rust.”

Hoekstra erkent dat het zorgelijk is dat we niet weten wat donkere materie is, maar het probleem ligt niet op zijn bord. “Wij sterrenkundigen zijn niet op zoek naar de aard van donkere materie. Het concept beschrijft hartstikke goed wat wij zien. Ons deel van het werk zit er eigenlijk al op. Het is aan de fysici om uit te zoeken wat het is. Daar geef ik ze nog tien jaar voor. Ik hoop wel dat de oplossing waar ze dan mee komen een beetje voor de hand ligt. Dat het geen gekunstelde theorie is.”

Lees ook:

Fysici weten het even niet meer. En dat maakt het spannend

Het is de succesvolste theorie uit de natuurkunde, maar na vijftig jaar moet het Standaard Model op de schop. Fysici weten nog niet hoe. ‘Alsof we een misdaad moeten oplossen waarbij het moordwapen ontbreekt.’