Categorieën
Artikelen

Dark Matter experiment vindt een onverklaard signaal| Quanta Magazine

Onderzoekers zeggen dat er drie mogelijke verklaringen zijn voor de afwijkende gegevens. Een daarvan is alledaags. Twee zouden een revolutie teweegbrengen in de natuurkunde.


Een artikel van Natalie Wolchover van Quanta Magazine.


De natuurkundigen die ’s werelds meest gevoelige experimentele zoektocht naar donkere materie uitvoeren, hebben iets vreemds gezien. Ze hebben een onverwachte overmaat aan gebeurtenissen in hun detector ontdekt die zouden kunnen passen in het profiel van een hypothetisch deeltje van donkere materie dat een axion wordt genoemd. Als alternatief zouden de gegevens kunnen worden verklaard door nieuwe eigenschappen van neutrino’s.

Meer in het algemeen kan het signaal afkomstig zijn van besmetting binnen het experiment.

“Ondanks dat we enthousiast zijn over dit overschot, moeten we heel geduldig zijn”, zegt Luca Grandi, een natuurkundige aan de Universiteit van Chicago en een van de leiders van het 163-persoons experiment, dat XENON1T heet. De opvolger van het experiment is nodig om mogelijke besmetting door tritiumatomen uit te sluiten, zei Grandi. Dat experiment zal naar verwachting later dit jaar beginnen.

Externe experts zeggen dat wanneer er een saaie uitleg is, dit meestal klopt. Maar niet altijd – en de enkele mogelijkheid dat XENON1T een ontdekking heeft gedaan, verdient aandacht.

Als dit een nieuw deeltje blijkt te zijn, dan is het een doorbraak waar we de afgelopen 40 jaar op hebben gewacht ”, zegt Adam Falkowski, een deeltjesfysicus aan de Paris-Saclay University in Frankrijk die niet bij het experiment betrokken was. ‘Je kunt het belang van de ontdekking niet overdrijven als dit echt is.’

Deeltjesfysici hebben zo lang gezocht naar een completere inventaris van de natuur, voorbij de verzameling deeltjes en krachten die bekend staat als het standaardmodel van de deeltjesfysica. En al 20 jaar jagen experimenten zoals XENON1T specifiek op de onbekende deeltjes waaruit donkere materie bestaat, het onzichtbare spul dat zijn zwaartekracht door het hele universum werpt.

Als het signaal van XENON1T afkomstig is van axions – een topkandidaat voor donkere materie – of niet-standaard neutrino’s, ‘zou het duidelijk heel spannend zijn’, zei Kathryn Zurek, een theoretisch natuurkundige aan het California Institute of Technology. Maar voorlopig is ‘de alledaagse verklaring van tritium waarschijnlijker in mijn gedachten’.

Het resultaat dat in de paper wordt beschreven, is een opeenstapeling van gebeurtenissen die “elektronische terugslag” worden genoemd in de XENON1T-detector. Een sensorgevulde tank van 3,2 ton puur xenon, de detector bevindt zich duizenden meters onder de Gran Sasso, een berg in Italië. Als een chemisch inert, “nobel” element, zorgt xenon voor een stille kijkpoel om te zoeken naar de rimpelingen van onbekende deeltjes, mocht er iets doorheen flitsen.

De XENON-serie experimenten was oorspronkelijk ontworpen om zware hypothetische donkere materiedeeltjes te zoeken die zwak interactieve massieve deeltjes of WIMP’s worden genoemd. Alle WIMP’s die de detector passeren, moeten af en toe botsen met een xenon-kern, waardoor een lichtflits ontstaat.

Maar na 14 jaar zoeken met steeds grotere en gevoeliger detectoren, hebben de onderzoekers deze nucleaire terugslag niet gezien. Concurrerende experimenten op zoek naar nucleaire terugslag in tanks van andere nobele elementen en stoffen hebben dat evenmin. “Het is een sage en we zijn allemaal erg wanhopig”, zegt Elena Aprile, een deeltjesfysicus aan de Columbia University die de op xenon gebaseerde detectiemethode heeft bedacht en sindsdien de XENON-experimenten leidt.

Terwijl de WIMP-zoektocht leeg bleef lopen, realiseerden XENON-wetenschappers zich enkele jaren geleden dat ze hun experiment konden gebruiken om te zoeken naar andere soorten onbekende deeltjes die door de detector zouden kunnen gaan: deeltjes die in een elektron knallen in plaats van in een xenonkern.

Ze behandelden deze ‘elektronische terugslag’ als achtergrondgeluid, en inderdaad worden veel van deze gebeurtenissen veroorzaakt door alledaagse bronnen zoals radioactief lood en krypton-isotopen. Maar nadat ze in de loop der jaren verbeteringen hadden aangebracht om hun achtergrondverontreinigingen drastisch te verminderen, ontdekten de onderzoekers dat ze signalen konden zoeken in de lage ruis.

In hun nieuwe analyse onderzochten de natuurkundigen elektronische terugslag in het eerste jaar aan XENON1T-gegevens. Ze verwachtten ongeveer 232 van deze terugslagen te zien, veroorzaakt door bekende bronnen van achtergrondverontreiniging. Maar het experiment zag 285 – een overschot van 53 dat een niet-verantwoorde bron betekent.

Het team hield de bevinding ongeveer een jaar lang geheim. ‘We hebben gewerkt en gewerkt en geprobeerd het te begrijpen’, zei Aprile. ‘Ik bedoel, deze arme studenten!’ Nadat ze alle mogelijke foutenbronnen die ze konden bedenken hadden afgewezen, bedachten de onderzoekers drie verklaringen die zouden passen bij de grootte en vorm van de hobbel in hun gegevensplots.

De eerste en misschien wel meest opwindende is de ‘zonneaxion’, een hypothetisch deeltje dat in de zon wordt geproduceerd en dat lijkt op een foton, maar met een kleine hoeveelheid massa.

Alle axions die recentelijk in de zon zijn geproduceerd, kunnen niet de donkere materie zijn die de kosmos sinds de oertijd heeft gevormd. Maar als het experiment zonne-axies heeft gedetecteerd, betekent dit dat er axies zijn. “Zo’n axion zou ook in het vroege heelal kunnen worden geproduceerd en zou dan een onderdeel van donkere materie vormen”, zegt Peter Graham, een deeltjesfysicus aan de Stanford University die theoretiseert over axions en manieren om ze te detecteren.

Onderzoekers zeiden dat de energie van zonne-axies die wordt afgeleid uit de hobbel van XENON1T niet past bij de eenvoudigste modellen van donkere materie van axion, maar meer gecompliceerde modellen kunnen ze waarschijnlijk met elkaar verzoenen.

Een andere mogelijkheid is dat neutrino’s – de meest mysterieuze van de bekende deeltjes van de natuur – grote magnetische momenten kunnen hebben, wat betekent dat het net kleine staafmagneten zijn. Een dergelijke eigenschap zou hen in staat stellen sneller met elektronen te strooien, wat het overschot aan elektronische terugslag verklaart. Graham zei dat neutrino’s met een magnetisch moment “ook erg spannend zouden zijn omdat het duidt op nieuwe fysica buiten het standaardmodel.”

Maar het is ook mogelijk dat sporen van tritium, een zeldzame waterstofisotoop, aanwezig zijn in de xenontank en dat hun radioactieve verval elektronische terugslag genereert. Deze mogelijkheid “kan niet worden bevestigd of uitgesloten”, schreef het XENON1T-team in hun paper.

Buitenonderzoekers zeggen dat er “geen rode, maar oranje vlaggen” zijn, zoals Falkowski het uitdrukte, dat wijst op het saaie antwoord. Het belangrijkste is dat als de zon axions creëert, alle sterren dat doen. Deze axions trekken een kleine hoeveelheid energie weg van de ster, zoals stoom die de energie van een kokende ketel afvoert. Bij zeer hete sterren zoals rode reuzen en witte dwergen, waar de axionproductie het grootst zou zijn, zou dit energieverlies voldoende zijn om de sterren af te koelen. “Een witte dwerg zou zoveel axions produceren dat we vandaag geen hete witte dwergen zouden zien zoals wij”, zei Zurek.

Neutrino’s met grote magnetische momenten zijn op dezelfde manier ontevreden: in vergelijking met standaard neutrino’s zouden er meer spontaan in sterren worden geproduceerd, waardoor de energie van de sterren meer wordt weggenomen en hete sterren meer worden gekoeld dan wordt waargenomen.

Maar die logica is misschien gebrekkig, of een ander deeltje of effect zou de hobbel van XENON1T kunnen verklaren. Gelukkig hoeft de natuurkundegemeenschap niet lang op antwoorden te wachten; De opvolger van XENON1T, het XENONnT-experiment – dat zal controleren op terugslag in 8,3 ton xenon – ligt op schema om later dit jaar met het verzamelen van gegevens te beginnen. “Als het overschot aanwezig is en op hetzelfde niveau,” zei Grandi, “dan verwachten we dat we binnen een paar maanden gegevens kunnen onderscheiden tussen [de mogelijkheden].”

‘Eén ding is duidelijk’, zegt Juan Collar, een fysicus van donkere materie aan de Universiteit van Chicago die niet bij het experiment betrokken is. “Het XENON-programma blijft baanbrekend op het gebied van donkere materie. Het meest gevoelige experiment zal het eerste zijn dat onverwachts tegenkomt, en XENON blijft stevig vasthouden aan die gewaardeerde pole position.


Het artikel op Quanta Magazine (Engels)

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s