Het Beste bewaarde geheim van het heelal
Luister, dit gaat je hersenen doen kraken: alles wat je kunt zien en aanraken — je telefoon, je koffie, je eigen lichaam — is maar liefst een kleine 15% van alle materie in het heelal. Die andere 85%? Geen flauw idee wat dat is. We hebben het nooit gezien, nooit aangeraakt, nooit direct gedetecteerd. Maar we weten dat het moet bestaan, want zonder die mysterieuze substantie zou de zwaartekracht niet werken zoals we die kennen. Melkwegstelsels zouden uit elkaar vliegen. Het heelal zoals we dat kennen zou simpelweg niet bestaan.
Wetenschappers noemen dit spul donkere materie, en al bijna honderd jaar proberen ze uit te vogelen waar het uit bestaat.
Nou, vrienden, we komen misschien eindelijk een beetje dichterbij.
Diep in de put
Laat me je vertellen over LZ — nee, niet het album van Led Zeppelin. LZ staat voor LUX-ZEPLIN, en het is een van de coolste wetenschappelijke experimenten waar je waarschijnlijk nog nooit van hebt gehoord.
Stel je voor: anderhalve kilometer onder de grond, in een voormalige goudmijn in Zuid-Dakota, hebben wetenschappers een tank gebouwd met daarin 10 ton ultrazuivere vloeibare xenon. (Xenon is dat edelgas dat blauw oplicht wanneer je er elektriciteit doorheen stuurt.) Het hele ding is ingepakt in laag na laag bescherming om het af te schermen van kosmische straling en andere rommel.
Waarom al die moeite? Omdat deeltjes donkere materie — als ze al bestaan — af en toe tegen xenonatomen zouden moeten botsen, waardoor minieme lichtflitsjes ontstaan die gevoelige detectoren kunnen oppikken. Hoe dieper je zit en hoe rustiger je omgeving, hoe beter je kansen om iets te zien.
En nu heeft LZ iets gezien.
Het signaal dat niemand kan verklaren
De onderzoekers analyseerden recent 220 dagen aan data en vonden... één enkele gebeurtenis. Slechts één interactie die niet overeenkomt met iets dat ze verwachtten van gewone materie.
Hier is waarom dit belangrijk is: de gebeurtenis vond plaats precies waar donkere-materiesignalen zouden moeten opduiken, en alle gebruikelijke bronnen van achtergrondruis (radioactief verval, kosmische straling, noem maar op) zijn zorgvuldig meegenomen. Het team heeft maanden besteed aan het dubbel- en driedubbel controleren van hun werk. Ze kennen hun detector zo goed dat zelfs één onverklaarde gebeurtenis het waard is om over te praten.
"We zijn zeer intrigerd om deze gebeurtenis in de data te zien," zei Rick Gaitskell, woordvoerder van LZ en professor aan de Brown University. "Met slechts één gebeurtenis willen we de plank niet overslaan. We beweren niet dat we donkere materie hebben gezien. Maar we hebben wel iets interessants gezien."
Dat is zo'n quote waar mijn hart als wetenschapscommunicator blij van wordt. Voorzichtig optimisme! Correct wetenschappelijk proces! Niet meteen conclusies trekken! (Kijkend naar jou, bepaalde andere vakgebieden die ik maar niet zal noemen.)
Wat zou het kunnen zijn?
Als dit signaal daadwerkelijk donkere materie is, kijken we waarschijnlijk naar iets dat WIMP wordt genoemd — een Weakly Interacting Massive Particle, oftewel een zwak interactief massief deeltje. Dit zijn de belangrijkste kandidaat-deeltjes voor donkere materie: deeltjes die nauwelijks interacteren met gewone materie, behalve via zwaartekracht en de zwakke nucleaire kracht.
Het hypothetische WIMP dat dit signaal zou kunnen hebben veroorzaakt, zou minstens 200 keer zwaarder zijn dan een proton. Dat is fors voor deeltjesfysica. En hier wordt het interessant: het zou gaan om een type interactie dat verder gaat dan de eenvoudigste modellen waar wetenschappers gewoonlijk naar zoeken.
Dus ofwel hebben we donkere materie gevonden, ofwel hebben we een nieuw type gewone deeltjesinteractie ontdekt dat we niet kenden. Beide zouden behoorlijk opwindend zijn, eerlijk gezegd.
Waarom we onszelf niet te veel opwindingen moeten aanpraten
Ik weet het, ik weet het — je staat klaar om je Facebook-status te updaten over de ontdekking van donkere materie. Remmen aan, maatje.
In de deeltjesfysica heb je wat 5-sigma significantie wordt genoemd voordat je een ontdekking mag claimen. Dat betekent minder dan 0,00003% kans dat je resultaat gewoon ruis is. Het LZ-signaal staat momenteel op 2,6 sigma — ongeveer 0,5% kans dat het toeval is.
Interessant, maar niet beslissend.
Denk er zo over: stel je voor dat je zoekt naar een verloren contactlens op je keukenvloer. Je ziet iets glanzends. Is het de lens? Misschien. Is het een kruimel? Ook misschien. Is het een minuscuul stukje folie van gisteravonds snacks? Zou kunnen. Je zou het op moeten pakken en echt moeten bekijken om zeker te weten.
Het LZ-team heeft meer data nodig. Gelukkig hebben ze al de grootste dataset ter wereld voor donkere-materiezoektochten verzameld, en ze zijn nog lang niet klaar.
Wat gebeurt er nu?
Het experiment blijft draaien, dag na dag meer data verzamelend. Als dat mysterieuze signaal blijft opduiken — of nog beter, als er meer vergelijkbare gebeurtenissen zich opstapelen — zal de significantie klimmen richting die magische 5-sigma grens.
Of het signaal verdwijnt, en blijkt het een statistische hapering te zijn geweest. Dat hoort ook bij wetenschap. Soms is een nullresultaat net zo belangrijk.
Hoe dan ook, ik vind hier iets prachtigs aan. We zitten anderhalve kilometer onder de grond, omringd door ongelooflijk zuivere vloeibare xenon, op zoek naar onzichtbaar spul dat het grootste deel van het heelal uitmaakt. Het heelal is vreemd, en wij blijven proberen het te begrijpen.
Of LZ daadwerkelijk donkere materie heeft gezien, moet nog blijken. Maar voor nu hebben we één piepklein, onverklaard signaal dat natuurkundigen over de hele wereld zeer nauwkeurig in de gaten houdt.
Blijf nieuwsgierig, mensen. Het heelal heeft altijd meer verrassingen in petto.