Onderzoekers gebruiken suiker in hun zoektocht naar donkere materie

Natuurkundigen hebben al op veel verschillende manieren geprobeerd om donkere materie te vinden, maar geen daarvan is succesvol geweest. Nu heeft een onverwachte kanshebber zijn intrede gedaan – doodgewone suiker.

Wetenschappers hebben een nieuwe manier bedacht om naar donkere materie te zoeken: met behulp van gigantische kristallen van sucrose, oftewel suiker. Tot nu toe heeft die zoektocht vooral een bittere nasmaak opgeleverd: er zijn nog geen resultaten.

Onderzoekers gaan ervan uit dat donkere materie bestaat vanwege de zwaartekracht die het spul lijkt uit te oefenen op sterrenstelsels. Maar ondanks een zoektocht van tientallen jaren naar mogelijke donkeremateriedeeltjes, hebben wetenschappers nog niets gevonden. Veel van deze zoektochten richten zich op zogeheten weakly interacting massive particles (WIMP’s). Deze deeltjes zijn al lang de meest veelbelovende kandidaten voor donkere materie. Toch leverden zelfs de meest gevoelige experimenten tot nu toe geen enkel spoor van ze op.

LEES OOK

‘We hebben de tools om leven te vinden elders in het zonnestelsel’

Hoe ontstond het leven op onze planeet en, wie weet, elders? Om die grote vragen te beantwoorden, richt astrobioloog Inge Loes ten Kate haar blik op d ...

Lichte WIMP’s

De meeste WIMP-detectoren zoeken naar lichtflitsen die kunnen ontstaan wanneer een donkeremateriedeeltje in botsing komt met gewone materie. Onderzoekers gaan er daarbij van uit dat die deeltjes relatief zwaar zijn – ergens tussen de 2 en 10.000 keer de massa van een proton. Die massa zou het best verklaren waarom donkere materie zulke grote effecten heeft op sterrenstelsels. Toch is het ook mogelijk dat WIMP’s veel lichter zijn – al past dat wat minder goed binnen de gangbare theorieën.

Natuurkundige Federica Petricca van het Max Planck-instituut voor Fysica in Duitsland is samen met collega’s op zoek gegaan naar deze lichtere WIMP’s. Dat deden ze met behulp van een detector gemaakt van suikerkristallen die waren afgekoeld tot extreem lage temperaturen.

Alternatief

Zeer lichte WIMP’s zouden het makkelijkst te detecteren zijn via interacties met lichte atomen, zoals waterstof. Maar waterstof als detector gebruiken is lastig, doordat het een lage dichtheid heeft. Dat verkleint de kans op een botsing sterk. Sucrose, suiker dus, bevat daarentegen per molecuul maar liefst 22 waterstofatomen – en dat in een veel hogere dichtheid dan zuivere waterstof.

Petricca en haar team lieten eerst een week lang kristallen van sucrose groeien uit een geconcentreerde suikeroplossing. Vervolgens koelden ze de kristallen af tot slechts zeven duizendste van een graad boven het absolute nulpunt. Daarna hielden ze de kristallen nauwlettend in de gaten op zoek naar tekenen van donkere-materie-interacties. Daarbij zochten ze naar minieme temperatuurstijgingen met een ultrasensitieve thermometer en naar lichtflitsjes met een fotonendetector.

Geen zwakkere signalen

De onderzoekers voerden hun experiment negentien uur lang uit. Hoewel de suikerkristallen daarbij oplichtten op een manier die past bij grotere deeltjes, werden er geen zwakkere signalen gemeten die door een WIMP veroorzaakt hadden kunnen worden.

Volgens natuurkundige Carlos Blanco van de Pennsylvania State-universiteit in de Verenigde Staten waren de suikerkristallen heel goed afgesteld om mogelijke interacties met donkere materie waar te nemen. De onderzoekers hadden er piepkleine terugkaatsingen van lichte WIMP’s mee kunnen detecteren. Het is alleen de vraag of het experiment andere mogelijke oorzaken van het oplichten van de kristallen had kunnen uitsluiten, zoals koolstof-14, een radioactieve isotoop die vaak voorkomt in suikers.

Over de auteur