Astronomen weten niet wat donkere materie is, maar ze weten wel dat het ongeveer 25% van het heelal beslaat. Een krachtige detector, diep onder de grond in een mijnschacht in Minnesota, kan misschien het mysterie achterhalen. Het Cryogene Dark Matter Search II-project zal proberen Weakly Interacting Massive Particles (ook bekend als WIMPS) te detecteren. Deze theoretische deeltjes hebben normaal gesproken geen interactie met materie, maar af en toe kan een zeldzame botsing worden gedetecteerd.
"Het is steeds moeilijker om weg te komen van het feit dat er een substantie bestaat die het grootste deel van het universum vormt dat we niet kunnen zien", zegt Cabrera. "De sterren en sterrenstelsels zelf zijn als kerstboomlichten op dit enorme schip dat donker is en geen licht absorbeert of uitstraalt."
Diep onder de grond in een mijnschacht in Minnesota ligt het project van Cabrera, genaamd Cryogene Dark Matter Search II (CDMS II). De natuurkundige Bernard Sadoulet van de Universiteit van Californië-Berkeley is de woordvoerder van de inspanning. Dan Bauer van Fermilab is de projectmanager en Dan Akerib van Case Western Reserve University is de adjunct-projectmanager. Een team van 46 wetenschappers van 13 instellingen werkt samen aan het project.
Om een WIMP te vangen
Het experiment is het meest gevoelige ter wereld en is gericht op het detecteren van exotische deeltjes genaamd WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), een van de beste inschattingen van wetenschappers over de samenstelling van donkere materie. Andere opties zijn neutrino's, theoretische deeltjes die axionen worden genoemd of zelfs normale materie zoals zwarte gaten en bruine dwergsterren die gewoon te zwak zijn om te zien.
WIMPS wordt verondersteld neutraal te zijn en meer dan 100 keer de massa van een proton te wegen. Op dit moment bestaan deze elementaire deeltjes alleen in theorie en zijn ze nooit waargenomen. Wetenschappers denken dat ze ze nog niet hebben gevonden omdat ze ondraaglijk moeilijk te vangen zijn. WIMPS heeft geen interactie met de meeste materie - de verlegen deeltjes passeren dwars door ons lichaam - maar CDMS II wil ze vangen in een zeldzame botsing met de atomen in de speciaal gemaakte detectoren van het project.
'Deze deeltjes gaan meestal zonder verstrooiing door de aarde', zegt Cabrera. "De enige reden dat we zelfs maar een kans hebben om gebeurtenissen te zien, is omdat [er] zoveel van de deeltjes zijn dat er zeer zelden één in de detector zal komen en zich zal verspreiden."
De detectoren zijn verborgen onder aardlagen in de Soudan-mijn in Minnesota om ze te beschermen tegen kosmische straling en andere deeltjes die met de detectoren kunnen botsen en kunnen worden aangezien voor donkere materie. In feite is de helft van de strijd voor de wetenschappers die aan CDMS II werken, om hun instrumenten zoveel mogelijk te beschermen tegen alles behalve WIMPS en om uitgebreide systemen te ontwikkelen om het verschil te zien tussen donkere materie en meer alledaagse deeltjes.
"Onze detector is dit hockey-puck-vormige ding dat moet leven op 50 duizendste van een graad boven het absolute nulpunt", zegt Walter Ogburn, een afgestudeerde student aan Stanford die aan het project werkt. "Het is moeilijk om dingen zo koud te maken."
Daartoe zijn de instrumenten genesteld in een bus, een koelbox genaamd, bekleed met zes isolatielagen, van kamertemperatuur aan de buitenkant tot de koudste aan de binnenkant. Dit houdt de detectoren zo koud dat zelfs atomen niet kunnen rillen.
De detectoren zijn gemaakt van kristallen van vast silicium en vast germanium. De silicium- of germaniumatomen zitten stil in een perfect rooster. Als WIMPS erin botst, zullen ze wiebelen en kleine pakketten warmte afgeven die fononen worden genoemd. Wanneer fononen naar het oppervlak van de detectoren stijgen, creëren ze een verandering in een zeer gevoelige laag wolfraam, die de onderzoekers kunnen opnemen. Een tweede circuit aan de andere kant van de detector meet ionen, geladen deeltjes die vrijkomen bij een botsing van een WIMP en een atoom in de detector.
'Die twee kanalen laten ons onderscheid maken tussen verschillende soorten interacties', zegt Ogburn. 'Sommige dingen maken meer ionisatie en sommige dingen minder, dus op die manier kun je het verschil zien.'
Er zijn meerdere wetenschappers nodig om de detectoren te bouwen. Het team koopt de kristallen van een extern bedrijf en onderzoekers van het Stanford Center for Integrated Systems maken meetinstrumenten op de oppervlakken van de detectoren. "We gebruiken dezelfde dingen om deze te maken die mensen gebruiken om microprocessors te maken, omdat die ook nog eens super klein zijn", zegt Matt Pyle, een andere afgestudeerde student in het laboratorium van Cabrera.
Een hoop aanwijzingen
Een subset van WIMPS, neutralinos genaamd, zijn de lichtste deeltjes die worden verwacht door supersymmetrie, een theorie die een partner voorspelt voor elk deeltje dat we al hebben waargenomen. Als CDMS II succesvol is in het vinden van neutralino's, zou dit het eerste bewijs zijn voor supersymmetrie. "Supersymmetrie suggereert dat er een hele andere sector bestaat van deeltjes die de partners zijn van onze bestaande deeltjes", zegt Cabrera. 'Er zijn veel manieren waarop supersymmetrie er zeer waarschijnlijk uitziet. Maar er is nog geen direct bewijs voor een matchend [supersymmetrisch] deeltjespaar. "
De zwakke interacties van WIMPS zijn waarom, hoewel donkere materiedeeltjes massa hebben en de wetten van de zwaartekracht naleven, ze niet als sterrenstelsels in sterrenstelsels en sterren klonteren. Om te klonteren, moeten deeltjes crashen en aan elkaar plakken. Maar WIMPS zou het vaakst recht naast elkaar vliegen. Bovendien, omdat WIMPS neutraal zijn, vormen ze geen atomen, die de aantrekkingskracht van positief geladen protonen op negatief geladen elektronen vereisen.
'Donkere materie doordringt alles', zegt Cabrera. 'Het is gewoon nooit ingestort zoals atomen.'
Omdat donkere materie nooit sterren en andere bekende hemelse objecten heeft gevormd, wisten wetenschappers lange tijd niet dat het er was. De vroegste indicatie van zijn bestaan kwam in de jaren dertig van de vorige eeuw, toen Fritz Zwicky, een Zwitsers-Amerikaanse astronoom, clusters van sterrenstelsels observeerde. Hij telde de massa's sterrenstelsels bij elkaar en merkte op dat er niet genoeg massa was om rekening te houden met de zwaartekracht die moet bestaan om de clusters bij elkaar te houden. Iets anders moet de ontbrekende massa opleveren, concludeerde hij.
Later in de jaren zeventig mat Vera Rubin, een Amerikaanse astronoom, de snelheid van sterren in de Melkweg en andere nabijgelegen sterrenstelsels. Toen ze verder naar de randen van deze sterrenstelsels keek, ontdekte ze dat de sterren niet langzamer roteren zoals wetenschappers hadden verwacht. 'Dat sloeg nergens op', zegt Cabrera. 'De enige manier waarop je het zou kunnen begrijpen, is of er veel meer massa was dan wat je in het sterrenlicht zag.'
In de loop der jaren is er steeds meer bewijs voor donkere materie opgestapeld. Hoewel wetenschappers nog niet weten wat het is, hebben ze een beter idee van waar het is en hoeveel ervan zou moeten zijn. "Er is heel weinig bewegingsruimte over voor verschillende hoeveelheden", zegt Cabrera.
"We hebben tot nu toe niets gezien dat op een interessant signaal lijkt", zegt hij. Maar de CDMS II-onderzoekers zetten de zoektocht voort. Doe ook andere groepen. ZEPLIN, een experiment dat wordt uitgevoerd door natuurkundigen van de University of California-Los Angeles en de Dark Matter Collaboration in het Verenigd Koninkrijk, heeft tot doel WIMP's te vangen in vloeibare vaten van xenon in een mijn bij Sheffield, Engeland. En op de zuidpool is een project van de Universiteit van Wisconsin-Madison, genaamd IceCube, in aanbouw dat optische sensoren zal gebruiken die diep in het ijs zijn begraven om te zoeken naar neutrino's, hoogenergetische deeltjes die handtekeningen zijn van WIMP-vernietigingen.
Ondertussen blijft CDMS II evolueren. De onderzoekers bouwen steeds grotere detectoren om hun kansen op het vinden van WIMPS te vergroten. In de toekomst hoopt het team een detector van 1 ton te bouwen die in staat zou moeten zijn om veel van de meest waarschijnlijke soorten WIMPS te ontdekken, als ze bestaan. "We nemen nu gegevens met meer dan twee keer zoveel doelmassa van germanium als we eerder hadden, dus we verkennen nu zeker nieuw terrein", zegt Ogburn. "Maar er valt nog veel meer te bespreken."
Oorspronkelijke bron: Stanford News Release
