Op een dag zou dit de eerste directe sonde van donkere materie kunnen zijn die alleen zwaartekracht gebruikt
De voorgestelde Windchime-detector voor donkere materie zou een beetje werken als een windgong in de achtertuin. In plaats van staafjes die in een briesje zwaaien, zouden miljarden sensoren worden voortgedreven door de zwaartekracht van een briesje van donkere materie dat langs de aarde waait.
Het geheim van het direct detecteren van donkere materie ligt misschien in de wind.
De mysterieuze substantie blijft wetenschappers ontgaan, ook al weegt het ongeveer 8 tegen 1 zwaarder dan zichtbare materie in het universum. Alle laboratoriumpogingen om donkere materie rechtstreeks te detecteren – alleen indirect gezien door het effect dat de zwaartekracht heeft op de bewegingen van sterren en sterrenstelsels – zijn verdwenen onvervuld.
Die pogingen waren gebaseerd op de hoop dat donkere materie naast de zwaartekracht op zijn minst een andere interactie heeft met gewone materie (SN: 25/10/16). Maar een voorgesteld experiment genaamd Windchime, hoewel tientallen jaren na realisatie, zal iets nieuws proberen: het zal zoeken naar donkere materie met behulp van de enige kracht die het gegarandeerd zal voelen – zwaartekracht.
“Het kernidee is uiterst eenvoudig”, zegt theoretisch fysicus Daniel Carney, die het schema in mei beschreef tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society’s Division of Atomic Molecular and Optical Physics in Orlando, Florida. Als een windgong op een veranda die naar binnen rammelt een briesje, zou de Windchime-detector probeer een donkere materie “wind” te voelen” langs de aarde waait terwijl het zonnestelsel rond de melkweg zwiept.
Als de Melkweg grotendeels een wolk van donkere materie is, zoals astronomische metingen suggereren, dan zouden we er met ongeveer 200 kilometer per seconde doorheen moeten zeilen. Hierdoor ontstaat er een donkere materiewind, om dezelfde reden dat je een wind voelt als je je hand uit het raam van een rijdende auto steekt.
De Windchime-detector is gebaseerd op het idee dat een verzameling slingers in een mum van tijd zal zwaaien. In het geval van windgong in de achtertuin, kunnen het metalen staven of bungelende bellen zijn die rinkelen in bewegende lucht. Voor de donkere-materiedetector zijn de slingers reeksen van minuscule, ultragevoelige detectoren die zullen worden geduwd door de zwaartekracht die ze voelen van passerende stukjes donkere materie. In plaats van luchtmoleculen die op metalen klokken weerkaatsen, zou de aantrekkingskracht van de deeltjes waaruit de wind van donkere materie bestaat, opvallende rimpelingen veroorzaken wanneer deze door een miljard of zo sensoren in een doos van ongeveer een meter per zijde blaast.
Hoewel het misschien logisch lijkt om met behulp van zwaartekracht naar donkere materie te zoeken, heeft niemand het geprobeerd in de bijna 40 jaar dat wetenschappers donkere materie in het laboratorium nastreven. Dat komt omdat zwaartekracht relatief een zeer zwakke kracht is en moeilijk te isoleren in experimenten.
“Je bent op zoek naar donkere materie om [cause] een zwaartekrachtsignaal in de sensor”, zegt Carney van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië. ‘En je vraagt het gewoon. . . zou ik dit zwaartekrachtsignaal kunnen zien? Wanneer u voor het eerst de schatting maakt, is het antwoord nee. Het wordt eigenlijk onhaalbaar moeilijk.”
Dat weerhield Carney en een kleine groep collega’s er niet van om van het idee toch verkennen in 2020. “Dertig jaar geleden zou dit helemaal gek zijn geweest om voor te stellen”, zegt hij. “Het is nog steeds een beetje gek, maar het is als borderline waanzin.”
De samenwerking met het Windchime Project is sindsdien uitgegroeid tot 20 natuurkundigen. Ze hebben een prototype Windchime gebouwd van commerciële versnellingsmeters en gebruiken het om de software en analyse te ontwikkelen die zullen leiden tot de definitieve versie van de detector, maar het is ver verwijderd van het uiteindelijke ontwerp. Carney schat dat het nog een paar decennia kan duren om sensoren te ontwikkelen die goed genoeg zijn om de zwaartekracht te meten, zelfs van zware donkere materie.
Carney baseert de tijdlijn op de ontwikkeling van de Laser Interferometer Gravitational-Wave Interferometer, of LIGO, die is ontworpen om te zoeken naar zwaartekrachtrimpelingen afkomstig van botsende zwarte gaten (SN: 2/11/16). Toen LIGO voor het eerst werd bedacht, zegt hij, was het duidelijk dat de technologie honderd miljoen keer verbeterd moest worden. Decennia van ontwikkeling resulteerden in een observatorium dat de lucht in zwaartekrachtgolven bekijkt. Met Windchime “zitten we in exact hetzelfde schuitje”, zegt hij.
Zelfs in zijn uiteindelijke vorm zal Windchime alleen gevoelig zijn voor stukjes donkere materie die ongeveer de massa hebben van een fijn stofje. Dat is enorm in het spectrum van bekende deeltjes – meer dan een miljoen biljoen keer de massa van een proton.
“Er is een verscheidenheid aan zeer interessante kandidaten voor donkere materie bij [that scale] die zeker de moeite waard zijn om naar te zoeken … inclusief oerzwarte gaten uit het vroege heelal”, zegt Katherine Freese, een natuurkundige aan de Universiteit van Michigan in Ann Arbor die geen deel uitmaakt van de Windchime-samenwerking. Zwarte gaten verdampen langzaam en lekken massa terug de ruimte in, merkt ze op, waardoor veel relikwieën kunnen worden gevormd kort na de oerknal bij de massa die Windchime kon detecteren.
Maar als het helemaal niets detecteert, onderscheidt het experiment zich nog steeds van andere detectieschema’s voor donkere materie, zegt Dan Hooper, een natuurkundige bij Fermilab in Batavia, Illinois, die ook niet bij het project is aangesloten. Dat komt omdat het het eerste experiment zou zijn dat sommige soorten donkere materie volledig zou kunnen uitsluiten.
Zelfs als het experiment niets oplevert, zegt Hooper, “het verbazingwekkende van… [Windchime] … is dat, onafhankelijk van al het andere dat je weet over donkere materiedeeltjes, ze zich niet in dit massabereik bevinden.” Met bestaande experimenten kan het niet detecteren van iets te wijten zijn aan verkeerde gissingen over de krachten die donkere materie beïnvloeden (SN: 7/7/22).
Windchime zal het enige experiment zijn dat tot nu toe is bedacht waarbij niets zien onderzoekers definitief zou vertellen wat donkere materie niet is. Met een beetje geluk kan het echter een wind van kleine zwarte gaten blootleggen, of zelfs meer exotische stukjes donkere materie, die voorbij waaien terwijl we rond de Melkweg razen.
