De mensen die op donkere materie jagen hopen dat 2017 hun jaar wordt

Het is een verontrustende gedachte dat slechts vijf procent van het universum gemaakt is van een materie die we kennen en begrijpen: van planeten en sterren tot bomen en dieren.

Grofweg een kwart is donkere materie. Er wordt gedacht dat dit de sterrenstelsels samenvoegt, en wordt ook wel de "steiger" van het universum genoemd, maar het is nog nooit direct waargenomen. Wetenschappers denken de sporen van donkere materie te zien in de manier waarop sterrenstelsels ronddraaien, maar ze weten nog steeds niet wat het is. (Het grootste deel van het universum, ongeveer zeventig procent, is donkere energie, een mysterieuze kracht die door ruimte en tijd heen dringt. Het wordt zelfs nog minder goed begrepen dan donkere materie.)

De bevestiging van het bestaan van donkere materie zou onze kijk op het universum veranderen. 2016 was het jaar van de teleurstellingen op het gebied van donkere materie, omdat grote onderzoeken niets opleverden. De meesten zoeken naar WIMPs, deeltjes die nauwelijks op elkaar inwerken, de grootste kanshebber om donkere materie te zijn.

Maar 2017 is mogelijk het jaar dat we het eindelijk te pakken krijgen. En als dat niet zo is, dan lijkt de kans groot dat de beste theorieën over donkere materie niet kloppen – dat we op de verkeerde plek zoeken, met de verkeerde instrumenten. Misschien blijkt donkere materie, wat het ook moge zijn, nog vreemder en verrassender te zijn dan tot nu toe gedacht. Misschien is het geen WIMP, maar een ander, absurd soort deeltje.

Dan is er ook nog de mogelijkheid dat donkere materie niet bestaat, maar slechts een illusie is. Als dat waar is, dan moeten we overwegen of we een fundamenteel verkeerde interpretatie hebben van het universum.

*

Diep begraven in een mijn bij Sudbury, in het noorden van Ontario, bevindt zich SNOLAB, een enorm ondergronds laboratorium waar wetenschappers een heleboel experimenten uitvoeren, waaronder het zoeken naar donkere materie. Deze high-tech faciliteit wordt vaak vergeleken met het onderkomen van een schurk uit een James Bond-film. Een laag gesteente van twee kilometer dik werkt als een soort zeef: het houdt straling uit de ruimte tegen en laat deeltjes uit stervende sterren door. De wetenschap die hier wordt uitgevoerd kreeg in 2015 de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Ik ging onlangs naar SNOLAB. Om daar te komen, moest ik mijnbouwkleding aantrekken (inclusief een helm met lamp), naar beneden dalen in een rammelende kooi en ongeveer een kilometer lopen. Uiteindelijk bereikte ik de glimmende witte faciliteit, die van binnen schoner is dan een operatiekamer – een verrassend contrast met de vieze mijn.

Als je na de lange wandeling SNOLAB wil bezoeken moet je je uitkleden en douchen (met zeep en shampoo), pluisvrije kleding dragen en een haarnetje opdoen. Elk beetje stof van de mijn, die radioactief is, kan het experiment in gevaar brengen.

Ik ontmoette er de onderzoekwetenschapper Ken Clark, een sympathieke natuurkundige met een zandkleurige baard. Hij droeg net als ik een veiligheidsbril en een helm. Clark heeft gewerkt aan spraakmakende zoektochten naar donkere materie zoals CDMS en LUX. Daarnaast werkt hij samen met anderen aan de IceCube-detector op Antarctica. Op dit moment werkt hij met PICO, een zoektocht naar donkere materie die zich richt op WIMPs. Het project werd gelanceerd nadat twee andere projecten, met de namen PICASSO en COUPP, werden samengevoegd.

PICO is een bubbeldetector: een tank vol gloeiendhete vloeistof, met een hogere temperatuur dan zijn natuurlijke kookpunt. Als donkere materie botst met de kern van een ander deeltje in de detector, zou er een kleine bubbel moeten ontstaan. Donkere materie baant door de Aarde en gaat recht door onze lichamen heen, en kan ondanks al het gesteente bij de detector komen. Dat is ook een onderdeel van de uitdaging – er wordt gedacht dat donkere materie zelden reageert op andere materie, als het überhaupt gebeurt.

Clark denkt dat we donkere materie mogelijk in de komende twee jaar zullen vinden. "Het zijn spannende tijden," zegt hij.

Andere zoektochten staan op het punt om te beginnen, legt hij uit. En degenen die al lopen worden steeds gevoeliger. Het is volgens Clark mogelijk dat we in 2017 nieuwe resultaten zien van PICO, DEAP (een andere detector die ook in SNOLAB staat), maar ook van het ambitieuze Chinese PandaX-project, en een andere in Italië met de naam XENON1T. Er komen zelfs nog meer zoektochten in 2018.

"Als we ervan uitgaan dat de modellen kloppen, zullen we binnenkort resultaten zien," vertelt Clark.

Er is alleen geen garantie, de zoektochten naar WIMPs leveren niks op. In de zomer kondigde de hoog-sensitieve LUX – die gebruik maakt van vloeibaar xenon in een mijn in South Dakota als detector – aan dat het nul WIMPs heeft gezien, na meer dan een jaar zoeken.

Ik belde met Lisa Randall, theoretisch natuurkundige en professor aan Harvard, om te vragen of zij denkt dat er een kans is dat we de komende twee jaar donkere materie vinden.

"Ik zou het tegenovergestelde zeggen," zegt Randall, de auteur van Dark Matter and the Dinosaurs. "Deze zoektochten zijn gebaseerd op het idee dat donkere materie is gemaakt van WIMPs. Dat is slechts een mogelijkheid."

De WIMP is "het laaghangende fruit," vervolgt Randall: dit theoretische deeltje past netjes binnen wat al bekend is over het Standaardmodel van de deeltjesfysica, dat uitlegt hoe de bouwstenen van het universum met elkaar samenhangen. Wetenschappers zijn in staat om manieren te bedenken om naar WIMPs te zoeken, dat geldt niet voor andere, vergezochte theorieën die veel lastiger te testen zijn door experimenten.

"Wat als het geen WIMP is?", vraagt Randall. "Kunnen we nog steeds iets leren over donkere materie?"

*

Andere wetenschappers hebben andere strategieën voor het oplossen van de puzzel van donkere materie.

Leslie Rosenberg, een natuurkundeprofessor aan de Universiteit van Washington in Seattle, is projectwetenschapper bij het Axion Dark Matter Experiment, ADMX, dat op zoek is naar het theoretische deeltje axion. Er wordt gedacht dat dit deeltje veel lichter is dan de WIMP. Het wordt actief gezocht tijdens andere zoektochten overal ter wereld, vertelt Rosenberg mij. Op het moment is ADMX nog "de enige hoogsensitieve axionzoektocht van het moment," zegt hij.

"ADMX maakt gebruik van een resonante microgolfholte binnenin een enorme supergeleidende magneet en begon midden jaren negentig. Het staat al een jaar ingesteld op optimale sensitiviteit, vertelt Rosenberg, en dit zal alleen nog maar beter worden naarmate het team blijft scherpstellen. Hij hoopt dat ze snel iets vinden: hun eerstvolgende update is al in de zomer van 2017.

"Axions zijn verbonden met ons sterrenstelsel," zegt Rosenberg. "Er zouden er enorm veel moeten zijn, dat uitgangspunt is de basis van ons signaal."

Axions zijn nog mainstream als kandidaat voor donkere materie. Andere ideeën zijn vreemder.

"Persoonlijk ben ik geïnteresseerd in het idee dat donkere materie misschien niets te maken heeft met het Standaardmodel," vertelt Randall. "Een van de mogelijkheden is dat het een ander soort deeltje betreft. Misschien werkt het op zichzelf is, via zijn eigen licht, een donker lichtdeeltje."

Randall denkt dat een van de beste manieren om te leren over donkere materie het bestuderen van sterrenstelsels is. Het universum aan het werk zien, om zo proberen te begrijpen hoe het reageert op zichzelf. De Gaia-missie van het European Space Agency die een driedimensionale kaart maakt van duizenden miljoenen sterren, zou ons inzicht kunnen geven in die werking, zegt Randall.

Asimina Arvanitaki, een theoretisch natuurkundige aan het Perimeter Instituut voor Theoretische Natuurkunde, suggereert in een Skypegesprek dat donkere materie misschien meetbaar is middels resonerende-massa detectors. Deze worden gebruikt in de jacht op zwaartekrachtgolven. Deze rimpels in ruimtetijd werden voor het eerst gedetecteerd in 2016, honderd jaar nadat Albert Einstein hun bestaat voorspelde.

Donkere materie zou zich ook als een golf kunnen gedragen, "gevangen door zwaartekracht en oscillerend op een frequentie die wordt bepaald door de massa," zegt ze.

"Het grappige is dat je donkere materie misschien zelfs zou kunnen horen", zegt Arvanitaki, "afhankelijk van de frequentie."

*

Gedurende miljoenen jaren kwamen mensen met ingenieuze manieren om de wereld om ons heen te ontdekken. Van Copernicus en Kepler tot de duizenden wetenschappers die betrokken zijn bij de zoektocht naar het Higgsdeeltje in de Large Hadron Collider, en degenen die de eindeloze stroom exoplaneten ontdekken die ons sterrenstelsel bevolken.

Dankzij hen is ons perspectief veranderd. Wanneer wij 's nachts naar de hemel kijken, begrijpen we dat vrijwel elke ster tenminste één planeet herbergt. De eerste bevestigde exoplaneet is nog maar twee decennia geleden bekendgemaakt. De natuur kan ons nog steeds verrassen.

"Er is een kans dat donkere materie geen deeltje is," zegt Clark. "Sommige theoretici zeggen dat er geen donkere materie bestaat. Dat we simpelweg niet begrijpen hoe zwaartekracht werkt op grote schaal," vervolgt hij. "Als dat klopt, dan worden we gefopt, en denken we alleen maar dat er donkere materie bestaat."

Clark en andere donkere materie-jagers zetten hun zoektocht voort. Als het echt bestaat, "zijn we niet eens gemaakt van het spul waar het grootste deel van het universum van is gemaakt," vertelde Rosenberg mij. In het grote plan der dingen is niet donkere materie exotisch en vreemd, maar wij.