Een detector diep onder de grond heeft een botsing geregistreerd die wetenschappers vooralsnog niet kunnen verklaren. Mogelijk zagen onderzoekers een uiterst zeldzame interactie met donkere materie – en dat zou een van de belangrijkste ontdekkingen in de moderne natuurkunde kunnen inluiden.
Eén botsing, diep onder de grond in South Dakota, zorgt voor opwinding onder natuurkundigen. De extreem gevoelige LUX-ZEPLIN-detector (LZ) heeft een signaal geregistreerd waarvoor onderzoekers nog geen overtuigende normale verklaring hebben. Mogelijk kwam het van donkere materie, maar om écht van een ontdekking te spreken is het nog veel te vroeg.
Een van de grootste raadsels
Donkere materie is een van de grootste raadsels van de moderne natuurkunde. We kunnen haar niet zien, maar uit de beweging van sterren en sterrenstelsels blijkt dat er veel meer massa in het heelal aanwezig moet zijn dan telescopen waarnemen. Naar schatting bestaat ongeveer 85 procent van alle materie uit deze onzichtbare component.
Een belangrijke kandidaat zijn zogenoemde WIMP’s: zware deeltjes die nauwelijks reageren met gewone materie. Juist daardoor zijn ze uitzonderlijk lastig te detecteren.
LZ probeert daar verandering in te brengen. Bijna anderhalve kilometer onder de grond staat een detector met in totaal zo’n 10 ton extreem zuiver vloeibaar xenon. Zeven ton daarvan vormt het actieve detectievolume. De dikke laag gesteente erboven houdt een groot deel van de kosmische straling tegen.
Onverklaarbaar signaal
Onderzoekers analyseerden 220 dagen aan metingen uit 2023 en 2024. Ditmaal zochten ze ook naar WIMP-botsingen waarbij aanzienlijk meer energie vrijkomt dan in traditionele zoektochten.
Daarbij verscheen één opmerkelijk signaal: een botsing met een xenonkern met een geschatte energie van ongeveer 250 keV. Na maanden onderzoek hebben wetenschappers nog geen bekend achtergrondproces gevonden dat het signaal overtuigend verklaart.
Als daadwerkelijk een WIMP verantwoordelijk was, zou het deeltje waarschijnlijk een massa van minstens 200 GeV/c² hebben. Ruim tweehonderd keer de massa van een proton. Bovendien zou het wijzen op een complexere interactie met gewone materie dan in het eenvoudigste WIMP-model.
Nog geen echte ontdekking
De statistische significantie bedraagt 2,6 sigma. Dat klinkt indrukwekkend, maar in de deeltjesfysica wordt doorgaans pas vanaf 5 sigma van een ontdekking gesproken. Eén uitzonderlijke gebeurtenis kan uiteindelijk dus nog steeds een zeldzaam achtergrondproces blijken.
Dat maakt de komende metingen cruciaal. LZ verzamelt verder gegevens en is ontworpen voor uiteindelijk ongeveer 1.000 dagen aan metingen. Verschijnen er meer soortgelijke botsingen, dan kan de statistische overtuigingskracht snel toenemen. Blijft het bij dit ene signaal, dan wordt een toevallige achtergrond waarschijnlijker.
Voorlopig is donkere materie dus niet gevonden. Maar na decennia waarin steeds gevoeligere detectoren vooral konden vertellen waar WIMP’s níét zitten, is een gebeurtenis die zich niet eenvoudig laat wegverklaren precies het soort signaal waarop natuurkundigen hebben gewacht.
