Donkere materie: de jacht wordt grootschaliger

Stel je dit eens voor.

Wetenschappers zijn al decennia op zoek naar donkere materie. Het spul dat zo'n 27 procent van alle energie in het universum uitmaakt. En toch heeft nog nooit iemand het rechtstreeks waargenomen. Nergens. We zien overal de gevolgen ervan — sterrenstelsels die vreemd draaien, licht dat buigt door lege ruimte, de hele kosmische structuur die bij elkaar blijft terwijl dat eigenlijk niet zou moeten. Maar de materie zelf? Nog steeds onvindbaar.

Dus toen ik onderzoek tegenkwam dat eigenlijk zei: "Wat als we niet piepkleine detectoren bouwen, maar gewoon... de hele planeet gebruiken?" — ja, dat maakte me enthousiast.

Het onderzoek krijgt een creatieve impuls

Klassieke experimenten proberen hypothetische deeltjes te vinden — axionen of donkere fotonen — door ze om te zetten in detecteerbare fotonen met behulp van ontzettend sterke magneetvelden. Het probleem? Die magneten zijn klein. Echt klein, vergeleken met de onmetelijke ruimte die we proberen te doorzoeken.

Onderzoekers van de Universiteit van Kyoto, Hiroshima University en Nihon University hadden een veel ambitieuzer idee. Ze stelden zichzelf de vraag: "Wat als we het eigen magnetische veld van de Aarde gebruiken?"

Onderzoeker Atsushi Taruya verwoordde het zo: "We vroegen ons af of we de Aarde zelf konden inzetten als een reusachtige detector in de zoektocht naar donkere materie."

De cruciale inval? Het gebied tussen het aardoppervlak en de ionosfeer werkt als een natuurlijke resonator. Vergelijk het met de klankkast van een gitaar — die versterkt trillingen bij bepaalde frequenties van nature. De Aarde-ionosfeerholte doet iets vergelijkbaars met elektromagnetische golven, maar dan voor de frequenties die de onderzoekers wilden bestuderen.

Nu wordt het echt interessant

Maar er was een probleem. Eerdere theoretische modellen konden alleen betrouwbaar werken onder 1 Hz. Dat liet enorme stukken potentieel bruikbare frequentiegebieden onontgonnen.

Dus het team deed wat goede wetenschappers doen — ze bouwden een beter model. Door rekening te houden met de elektrische geleidbaarheid van de atmosfeer, breidden ze hun voorspellingen uit tot zo'n 30 Hz. Hun berekeningen toonden aan dat de Aarde-ionosfeerholte signalen rond 8 Hz kon versterken — en dat werd hun doelfrequentie.

Hier komt een leuk detail: hun model voorspelde dat axionen en donkere fotonen zich anders zouden gedragen. Axionsignalen zouden moeten variëren afhankelijk van waar op Aarde je meet, met de sterkste signalen in Zuidoost-Azië. Donkere-foton-signalen daarentegen zouden ongeveer even sterk moeten zijn overal ter wereld.

Tien jaar magnetische data, één raadselachtig resultaat

Het team verzamelde ongeveer tien jaar aan geomagnetische metingen van het Eskdalemuir Observatorium van de British Geological Survey (2012-2022), verwijderde zorgvuldig alle door mensen veroorzaakte ruis, en ging op zoek naar het soort stabiele, smalbandige signaal dat donkere materie over lange perioden zou moeten produceren.

Voor axionen waren hun zoekresultaten ongeveer honderd keer strenger dan elk vorig grondgebonden experiment. Dat is enorm — het betekent dat ze een veel breder bereik aan mogelijkheden konden uitsluiten voor hoe sterk axionen met licht kunnen interacteren.

Maar de zoektocht naar donkere fotonen? Daar werd het spannend.

Ze vonden verschillende signaalkandidaten die zouden kunnen komen van donkere materie.

De adder onder het gras? De bron van die signalen blijft volledig onbekend. Ze zijn niet bevestigd als donkere materie. Het could iets heel anders zijn — een atmosferisch fenomeen dat we niet goed begrijpen, een subtiele instrumentele bijwerking, of gewoon kosmische toeval.

Wat betekent dit allemaal?

Eerlijk? Het betekent dat we in een heel opwindende fase van donkere-materieonderzoek zitten. We hebben het raadsel nog niet opgelost — de ware identiteit van donkere materie blijft net zo ontwijkend als altijd.

Maar wat dit team liet zien, is dat we veel creatiever kunnen zijn in hoe we zoeken. De natuurlijke elektromagnetische omgeving van de Aarde zou wel eens een van onze beste hulpmiddelen kunnen zijn voor het onderzoeken van ultralichte donkere materie — deeltjes zo licht dat ze ongeveer 19 tot 21 ordes van grootte lichter zijn dan een elektron. (Ja, je leest dat goed. Eenentwintig ordes van grootte. Onvoorstelbaar licht.)

Het raamwerk dat ze ontwikkelden, kan toekomstige onderzoekers helpen hun zoektochten uit te breiden op manieren die simpelweg niet eerder mogelijk waren.

En dat raadselachtige signaal? Het zou niets kunnen zijn. Het zou alles kunnen zijn. Hoe dan ook, het zijn dit soort redenen die natuurkunde zo eindeloos fascinerend maken.

Soms verrast het universum ons op de meest onverwachte plekken — zelfs in de ruimte tussen de grond onder je voeten en de hemel boven je hoofd.