Het mysterie van de donkere materie verdiept zich met de ondergang van een gerapporteerde detectie

Eerste van twee delen

In mysterieverhalen wordt de hoofdverdachte bijna altijd vrijgesproken voor het einde van het boek. Typisch omdat een belangrijk bewijsstuk onjuist bleek te zijn.

In de wetenschap wordt verondersteld dat het belangrijkste bewijs juist is. Maar soms is het dat niet. In het mysterie van de onzichtbare “donkere materie” in de ruimte, is het bewijs dat een hoofdverdachte impliceert, nu direct ontkracht. WIMP’s, minuscule deeltjes die algemeen worden beschouwd als de belangrijkste kandidaten voor donkere materie, zijn niet verschenen in een experiment dat specifiek is ontworpen om de enige eerdere studie te testen die beweert ze te detecteren.

Al decennia lang hebben natuurkundigen zich gerealiseerd dat de meeste materie van het universum niet lijkt op aardse materie, die voornamelijk is gemaakt van protonen en neutronen. Gravitatie-invloeden op zichtbare materie (sterren en melkwegstelsels) duiden erop dat sommige duistere dingen met onbekende identiteit de kosmos doordringen. Gewone materie is verantwoordelijk voor minder dan 20 procent van de overvloed aan kosmische materie.

Om niet-gerelateerde redenen hebben theoretici ook lang gesuggereerd dat de natuur mysterieuze soorten kleine deeltjes bezit, voorspeld door een theoretisch wiskundig raamwerk dat bekend staat als supersymmetrie, of afgekort SUSY. Die deeltjes zouden volgens subatomaire standaarden enorm zijn, maar zouden slechts een zwakke wisselwerking hebben met andere materie, en staan ​​daarom bekend als Weakly Interacting Massive-deeltjes, vandaar WIMP’s.

Van de vele mogelijke soorten WIMP’s zou er één (vermoedelijk de lichtste) de eigenschappen moeten hebben die nodig zijn om de donkere materie te verklaren die knoeit met de beweging van sterren en sterrenstelsels (SN: 27/12/12​ Lang geleden in de vorige eeuw begonnen er zoekopdrachten naar WIMP’s in een poging hun bestaan ​​aan te tonen en te identificeren uit welke soort de donkere materie bestond.

In 1998 kondigde een onderzoeksteam duidelijk succes aan. Een experiment genaamd DAMA (voor DArk MAtter, snap je?), bestaande uit een deeltjesdetector begraven onder de Italiaanse Alpen, detecteerde schijnbaar deeltjes met eigenschappen die overeenkwamen met de verwachtingen van sommige natuurkundigen voor een signaal van donkere materie.

Het was een lastig experiment om uit te voeren, met als uitgangspunt dat de ruimte vol zwermen WIMP’s is. Een detector die brokken natriumjodide bevat, zou een lichtflits moeten afgeven wanneer deze door een WIMP wordt geraakt. Maar andere deeltjes van natuurlijke radioactieve stoffen zouden ook lichtflitsen produceren, zelfs als WIMP’s een mythe zijn.

Dus namen de onderzoekers een slimme suggestie over die eerder was voorgesteld door natuurkundigen Katherine Freese, David Spergel en Andrzej Drukier, formeel bekend als een jaarlijkse modulatietest. Maar laten we het maar de juni-december-benadering noemen.

Terwijl de aarde om de zon draait, beweegt de zon ook, terwijl ze rond het Melkwegstelsel reist, gedragen door een spiraalvormige arm in de richting van het sterrenbeeld Cygnus. Als de melkweg echt vol is met WIMP’s, zou de zon er constant doorheen moeten ploegen en een “WIMP-wind” genereren. (Het is net als de wind die je voelt als je je hoofd uit het raam van een rijdende auto steekt.) In juni beweegt de baan van de aarde hem in dezelfde richting als de beweging van de zon rond de melkweg – tegen de wind in. Maar in december beweegt de aarde de tegenovergestelde richting, weg van de wind. Dus in juni zouden meer WIMP’s de aarde moeten treffen dan in december. Het is net als de manier waarop de voorruit van uw auto tegen meer regendruppels botst wanneer u vooruit rijdt dan wanneer u achteruit rijdt.

Op een astrofysische conferentie in Parijs in december 1998 rapporteerde Pierluigi Belli van het DAMA-team een ​​duidelijk signaal (of in ieder geval een sterke aanwijzing) dat er in juni meer deeltjes arriveerden dan in december. (Meer precies, de resultaten lieten een jaarlijkse modulatie zien in de frequentie van lichtflitsen, met een piek rond juni met een minimum in december.) De DAMA-gegevens wezen op een WIMP met een gewicht van 59 miljard elektronenvolt, ongeveer 60 keer de massa van een proton.

Maar sommige experts maakten zich zorgen over de gegevensanalyse van het DAMA-team. En andere zoekopdrachten naar WIMP’s, met verschillende detectoren en strategieën, hadden WIMP’s moeten vinden als DAMA gelijk had – maar niet. Toch hield DAMA vol. Een geavanceerde versie van het experiment, DAMA / LIBRA, bleef de ongelijkheid tussen juni en december ontdekken.

Misschien was DAMA gevoeliger voor WIMP’s dan andere experimenten. De andere zoekopdrachten kwamen immers niet overeen met de methoden van DAMA. Sommige gebruikten andere stoffen dan natriumjodide als detectiemateriaal, of keken naar lichte temperatuurstijgingen als teken van een WIMP-botsing in plaats van lichtflitsen.

Overigens zijn WIMP’s misschien niet wat theoretici oorspronkelijk dachten. DAMA rapporteerde aanvankelijk 60 protonenmassa WIMP’s op basis van de overtuiging dat de WIMP’s in botsing kwamen met jodiumatomen. Maar latere gegevens suggereerden dat de WIMP’s misschien natriumatomen troffen, wat een veel lichtere WIMP-massa impliceert – lichter dan andere experimenten die optimaal waren ontworpen om te detecteren. Nog een andere mogelijkheid: misschien waren sporenhoeveelheden van het metallische element thallium (veel zwaardere atomen dan jodium of natrium) de WIMP-doelen geweest. Maar een recente recensie van dat voorstel ontdekte opnieuw dat de resultaten van DAMA niet verenigbaar waren met het ontbreken van een signaal in andere experimenten.

En nu is DAMA’s hoop op rechtvaardiging verder ondermijnd door een nieuw ondergronds experiment, dit in Spanje. Wetenschappers met de ANAIS-samenwerking hebben de juni-december-methode herhaald met natriumjodide, in een poging om de resultaten van DAMA met dezelfde methode en materialen te reproduceren. Na drie jaar werking heeft de ANAIS-team rapporteert geen teken van WIMP’s.

Om eerlijk te zijn, de niet-WIMP-conclusie is gebaseerd op veel serieus geavanceerde technische analyse. Het is niet alleen een kwestie van lichtflitsen tellen. Je moet rigoureuze gegevens verzamelen over het gedrag van negen verschillende natriumjodidemodules. Je moet corrigeren voor de aanwezigheid van zeldzame radioactieve isotopen die worden gegenereerd door botsingen met kosmische straling terwijl de modules nog in aanbouw waren. En dan is de statistische analyse die nodig is om een ​​signaalverschil tussen winter en zomer te onderscheiden, niet iets dat je thuis zou moeten proberen (tenzij je volledig thuis bent in zaken als het kleinste-kwadraat-periodogram of de Lomb-Scargle-techniek). Plus, ANAIS gaat nog steeds door, met plannen om nog twee jaar aan gegevens te verzamelen voordat een definitieve analyse wordt uitgebracht. Het oordeel over de WIMP’s van DAMA is dus niet noodzakelijk definitief.

Desalniettemin ziet het er niet goed uit voor WIMP’s, althans voor de WIMP’s die worden gemotiveerd door het geloof in supersymmetrie.

Helaas voor SUSY-fans zijn zoekopdrachten naar WIMP’s vanuit de ruimte niet het enige slechte nieuws. Pogingen om WIMP’s te produceren in deeltjesversnellers zijn tot dusver ook mislukt. Donkere materie zou zomaar uit een ander soort subatomair deeltje kunnen blijken te bestaan.

Als dat zo is, zou het een plotwending zijn die Agatha Christie waardig is, zoals Poirot die de moordenaar blijkt te zijn. Want symmetrie is lange tijd de meest betrouwbare vriend van natuurkundigen geweest, die vele grote successen heeft geleid, van Einsteins relativiteitstheorie tot het standaardmodel van deeltjes en krachten.

Maar als je tot nu toe geen SUSY-deeltjes hebt gevonden, wil dat nog niet zeggen dat ze niet bestaan. Supersymmetrie is misschien niet zo eenvoudig als het eerst leek. En SUSY-deeltjes zijn misschien moeilijker te detecteren dan wetenschappers aanvankelijk dachten. Maar als supersymmetrie niet zo super blijkt te zijn, moeten wetenschappers misschien nadenken over de manieren waarop geloof in symmetrie hen op een dwaalspoor kan brengen.