Ongeveer 85% van alle materie in het heelal is volstrekt onzichtbaar. We merken deze donkere materie alleen op door de zwaartekracht die het uitoefent op sterrenstelsels. De voornaamste kandidaat voor dit raadselachtige verschijnsel is de WIMP (Weakly Interacting Massive Particle): een zwak wisselwerkend zwaar deeltje dat nauwelijks reageert met gewone materie.
Het opsporen van een deeltje dat vrijwel overal dwars doorheen vliegt, vereist extreme maatregelen. Wetenschappers bouwen hun detectoren kilometers diep onder de grond.
Werkingsprincipe van een vloeibaar-xenon WIMP-detector. Bron: Science News
De ruis van kosmische straling
Aan het aardoppervlak worden we continu gebombardeerd door kosmische straling—geladen deeltjes uit het heelal die in onze atmosfeer botsen en een regen van secundaire deeltjes (zoals muonen) veroorzaken.
Voor een ultragevoelige donkere-materiedetector is deze straling als oorverdovende hardrock op een stiltefeest. Een botsing met een alledaags kosmisch deeltje overstemt het minuscule signaal dat een WIMP achterlaat wanneer deze heel af en toe tegen een atoomkern stoot.
Kilometers gesteente als schild
Om deze ruis te elimineren, wijken natuurkundigen uit naar voormalige mijnen of tunnels diep onder bergen, zoals het beroemde Laboratori Nazionali del Gran Sasso onder 1400 meter Italiaans gesteente of de LUX-ZEPLIN (LZ) detector in een oude goudmijn in South Dakota.
- Natuurlijk schild: De dikke laag rots blokkeert vrijwel alle kosmische straling.
- Vloeibaar Xenon: In de kern van de detector bevindt zich een vat met vloeibaar xenon. Als een WIMP een xenonkern raakt, ontstaat er een piepklein lichtflitsje en komen er elektronen vrij.
- Extreem zuiver: Elk onderdeel van het lab wordt gebouwd met materialen die vrij zijn van achtergrondradioactiviteit.
In deze intense stilte wachten onderzoekers geduldig op dat ene onweerlegbare signaal dat de fysica voorgoed zal veranderen.
