Voor dit probleem staan we als wetenschappers als we het over donkere materie hebben. Uit de astronomie weten we dat 85 procent van alle materie donker is. Dat betekent dat deze materie geen licht uitzendt, anders dan alles wat we kunnen zien of wat telescopen zouden kunnen detecteren. Dat donkere materie wel bestaat, weten we alleen door de zwaartekracht die ervan uitgaat. Hoe kunnen we iets wat helemaal donker is dan toch zichtbaar maken?
Laten we even kijken naar wat er gebeurt als iets wel licht uitzendt, bijvoorbeeld een ster. In de quantumfysica kunnen we licht opvatten als deeltjes, die uitgewisseld worden tussen de ster en onze ogen, waarmee we het licht opvangen. Deze deeltjes heten fotonen.
Met onze ogen kunnen we geen donkere fotonen opvangen. Daarom moeten we experimenten bedenken, die dat wel kunnen, op welke manier dan ook.
In de loop van de tijd hebben wetenschappers drie verschillende types experimenten ontwikkeld, die ik jullie hier wil voorstellen. Al deze experimenten gaan ervan uit dat de donkere materie zelf uit deeltjes bestaat, net zoals alle zichtbare materie.
1) Annihilatie van donkere materie
Als donkere materie uit deeltjes bestaat, dan kunnen twee van deze deeltjes elkaar treffen en verdwijnen. Je noemt dat annihileren. Binnen de wetten van de quantumfysica is deeltjes-annihilatie mogelijk, als deeltjes in energie of in andere deeltjes omvormen. Als de twee donkere materie-deeltjes annihileren, zenden ze een donker foton uit dat weer in zichtbare materie kan vervallen, bijvoorbeeld in elektronen. Dat gebeurt in het heelal rondom sterrenstelsels, waar veel donkere materie aanwezig is en de kans op annihilatie dus hoog is.
Het licht dat de elektronen uit de donkere materie-annihilatie uitzenden, vangen we met telescopen op, bijvoorbeeld met de gigantische Hubble-telescoop of met de James Webb-ruimtetelescoop. Aan de kleur (of frequentie) en de intensiteit van het licht kunnen we in principe de eigenschappen van de donkere materie-deeltjes aflezen: Hoe hoger de frequentie, hoe zwaarder de donkere materie; hoe hoger de intensiteit van het signaal, hoe sterker de wisselwerking met zichtbare materie.
Het voordeel van deze methode is dat we al hele goede telescopen hebben. Er is dus geen nieuw apparaat nodig voor dit experiment. We gebruiken gewoon wat we hebben, maar dan op een nieuwe manier.
Er is echter ook een nadeel. Het licht van sterren en andere objecten in het heelal veroorzaakt veel verstoring van het signaal dat we willen zien. Dat maakt met moeilijk om zeker te weten dat we met annihilatie van donkere materie te maken hebben en niet met sterrenstof ergens uit een hoekje van de Melkweg.
2) Verstrooiing van donkere materie
In plaats van naar verre sterrenstelsels te kijken, kunnen we ons ook concentreren op donkere materie dicht bij de aarde. Maar hiervoor is dan wel een andere waarnemingsmethode nodig. Stel dat een deeltje donkere materie op een atoomkern ergens in een detector botst. De verstrooiing van dat deeltje geeft dan een impuls aan de atoomkern, die elektronen rond de kern uit het atoom losmaakt. Dit veroorzaakt een elektrische stroom die we kunnen meten.
Het voordeel van dergelijke verstrooiing-experimenten is dat we daarmee kunnen meten hoe sterk en hoe vaak de donkere deeltjes verstrooien. In de quantumfysica betekent verstrooien het uitwisselen van donkere fotonen tussen de donkere materie en de atoomkern. We leren dus iets over de fundamentele wisselwerking van donkere materie met zichtbare materie.
Ook aan deze methode zit weer een nadeel. We moeten het experiment heel goed beschermen tegen de verstrooiing veroorzaakt door andere deeltjes, zoals kosmische deeltjes uit de atmosfeer. De meeste verstrooiing-experimenten zijn dus diep onder de grond verstopt, bijvoorbeeld in een oude goudmijn of onder een hoge berg. Hier komen alleen donkere materie-deeltjes, alle andere blijven in de rots steken.
3) Productie van donkere materie
De derde optie is zelf donkere materie maken. Dat klinkt misschien ongelooflijk, maar het kan mogelijk wel bij een deeltjesversneller zoals de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN. Door donkere materie-deeltjes te produceren, veranderen we de hoeveelheid donkere materie in het heelal. Een bijna goddelijke kracht!
Donkere materie maken gaat als volgt. We laten twee waterstofkernen bij extreem hoge energie op elkaar botsen. Nu komt weer de kracht van de quantumfysica om de hoek kijken: De waterstofkernen annihileren en geven energie vrij. Die energie wordt meegenomen door een donker foton, wat in twee deeltjes donkere materie kan vervallen.
Het voordeel van deze methode is dat we zelf bepalen hoe we de donkere materie willen maken en bekijken. Daardoor hebben we niet met al die verstoring door andere signalen uit het heelal te maken.
Maar helaas heeft ook dit een nadeel. Donkere materie is voor de detectoren van een versneller-experiment zoals de LHC niet zichtbaar. We moeten dus indirect bewijzen dat er donkere materie is ontstaan. Daarvoor meten we de zichtbare deeltjes die samen met de donkere materie geproduceerd worden. In een deeltjesbotsing blijft de energie en de impuls van alle geproduceerde deeltjes altijd behouden. Als er in het totaal aan zichtbare deeltjes dus energie ontbreekt, weten we dat we onzichtbare deeltjes geproduceerd hebben.
Wat levert al dit zoeken op?
Bij zoveel creatieve experimenten lijkt het misschien een teleurstelling, maar tot nu toe hebben we met geen van de drie methodes donkere materie gemeten. In enkele experimenten is er wel een kleine aanduiding van een signaal, wat heel spannend is. Daarin hebben we iets meer annihilaties, verstrooiingen of botsingen gemeten dan wat er door vervuiling veroorzaakt zou worden. Maar we kunnen nog niet met zekerheid zeggen dat zo’n signaal echt van de donkere materie komt. Daarvoor moeten we voldoende signalen meten en moeten we absoluut zeker zijn dat de signalen niet van een andere bron afkomstig zijn. Er blijft dus veel werk om te doen, voordat we iedereen kunnen vertellen dat we een ontdekking hebben gedaan.
Toch hebben we al veel geleerd van dit soort experimenten. We weten nu dat de wisselwerking tussen donkere materie en zichtbare materie heel erg zwak moet zijn. Het kan ook zijn dat donkere materie een massa heeft die buiten het bereik ligt dat we kunnen meten. Denk bijvoorbeeld aan een deeltje dat te zwaar is om bij een versneller met een vaste energie geproduceerd te worden. Dat zouden we met de LHC niet kunnen ontdekken, maar misschien wel met een nieuwe versneller waar deeltjes bij nog hogere energieën botsen.
De zoektocht naar ‘het donker’ gaat dus door met steeds betere experimenten en nieuwe modellen voor donkere materie, die we nog niet in een experiment onderzocht hebben. Het is een complex proces waar veel wetenschappers met verschillende kennis samen aan werken. We tasten als het ware in het donker - of, zoals je het nu weet: naar het donker!
