Donkere materie: van dit probleem ligt een natuurkundige wakker

Donkere materie is een mysterie dat natuurkundigen drijft én ‘s nachts wakker houdt.

Al eeuwenlang stellen natuurkundigen zichzelf ingewikkelde vragen, waarmee ze hun eigen grenzen oprekken en stap voor stap meer inzicht krijgen in hoe ons universum in elkaar steekt en hoe het zover gekomen is. Want uiteindelijk draait het allemaal natuurlijk om die ultieme vraag: waarom is het universum – waarom zijn wij – er?

Standaard Model
De inspanningen van meerdere generaties natuurkundigen hebben hun vruchten afgeworpen en resulteren onder meer in het zo langzamerhand beroemde Standaard Model van de deeltjesfysica: een theorie die de krachten en deeltjes die alle materie vormen, beschrijft. Een prachtig fundament voor de moderne natuurkunde, zou je denken. Ware het niet dat er een aantal fundamentele problemen zijn waar het Standaard Model geen raad mee weet. En die ‘hoofdpijndossiers’ zoals Ivo van Vulpen ze in zijn nieuwe boek ‘De melodie van de natuur‘ noemt, onthullen dat de wereld veel groter is dan het Standaard Model ons wil doen geloven. Sterker nog: “Het is meer en meer duidelijk dat er waarschijnlijk een meer fundamentele theorie bestaat waarvan ons huidige Standaard Model slechts een effectieve, simpele versie is,” zo schrijft Van Vulpen.

Donkere materie: een hoofdpijndossier
En dus worstelen natuurkundigen verder. Maar waarmee precies dan? Daar is geen eenduidig antwoord op te geven, want er zijn meerdere fundamentele problemen (zie ook het kader hieronder). Maar met stip op één staat toch het probleem dat donkere materie heet. “Dat probleem voelt het meest ongemakkelijk,” aldus Van Vulpen. Het donkere materie-vraagstuk verrees grappig genoeg niet eens direct in het lab van de natuurkundige. In plaats daarvan waren het astronomen die met dit probleem op de proppen kwamen. “Er zijn twee aanwijzingen dat donkere materie bestaat,” legt Van Vulpen uit. “De eerste aanwijzing vinden we in de bewegingen van sterrenstelsels.” Hij illustreert dat aan de hand van een voorbeeldje. “Onze planeet draait rond de zon. Stel nu dat we de zon niet konden zien, dan zouden we aan de hand van onze snelheid en massa kunnen afleiden dat we rond een zwaar object cirkelen en tevens de massa ervan kunnen berekenen.” Op dezelfde manier kun je op basis van de snelheden van sterren in sterrenstelsels iets zeggen over de massa van die stelsels. Maar berekeningen van die massa komen niet overeen met wat we zien. “Het suggereert dat er voor elke kilo materie vier keer meer onzichtbare materie moet zijn.” En die onzichtbare materie wordt ‘donkere materie’ genoemd. Een tweede aanwijzing voor de aanwezigheid van deze mysterieuze substantie – die niet is opgebouwd uit deeltjes zoals we die op aarde kennen – vinden we in simulaties die de omstandigheden kort na de oerknal nabootsen. “Na de oerknal was er stof en dat klonterde samen, waarna uit die klontjes sterrenstelsels geboren werden. Als we dat klonteren op de computer doorrekenen, zien we dat de zichtbare materie in bijna 14 miljard jaar tijd onmogelijk zo geklonterd kan zijn als we nu zien. Tenzij er meer materie is dan we kunnen waarnemen.” Hamvraag is natuurlijk: waaruit bestaat die onzichtbare materie dan? Sowieso niet uit deeltjes die we kennen. En daarmee komen we bij het hart van dit probleem. Want blijkbaar zijn er dus deeltjes die ons nog niet bekend zijn. “Het gekke is dat ons Standaard Model vol zit.” De aanwezigheid van donkere materie pleit dan ook voor een uitbreiding van het Standaard Model. Maar hoe dan precies?

Supersymmetrie
Natuurlijk hebben natuurkundigen wel ideeën over de samenstelling van donkere materie. Eén zo’n – vrij radicaal – idee is supersymmetrie. “Dit is een uitbreiding van het Standaard Model, waarbij elk deeltje in het Standaard Model een broertje krijgt dat veel zwaarder is.” Net als ‘gewone deeltjes’, zouden de deeltjes uit deze nog onontdekte ‘spiegelwereld’ uiteenvallen in andere, lichtere deeltjes. En één van die deeltjes zou volgens de theorie stabiel zijn. “Dat betekent dat zodra dit deeltje eenmaal gemaakt is, het niet meer uit zichzelf kan vervallen en dus tot het einde der tijden rond zal vliegen door het heelal,” zo schrijft Van Vulpen. “En laat dat nou precies zijn waar we naar op zoek waren!”

Onderzoek
Of de theorie der supersymmetrie klopt, is nog onduidelijk. Maar onderzoekers werken hard om dat uit te zoeken. Ze doen dat op dit moment op twee manieren. Zo wordt met behulp van krachtige deeltjesversnellers geprobeerd om die vermeende donkere materie-deeltjes te maken en detecteren. Dat klinkt eenvoudig, maar dat is het zeker niet, zo vertelt Van Vulpen. Zo heb je allereerst heel veel energie nodig om de zware supersymmetrische deeltjes te maken. “In het vroege heelal was die energie gewoon voorhanden, maar hier op aarde moeten we het zelf doen.” En als dat al lukt, is het nog maar zeer de vraag of het mogelijk is om zodra deze supersymmetrische deeltjes in verval raken het vermeende donkere materie-deeltje waar te nemen. “Er is nul interactie,” stelt Van Vulpen. “Dat betekent dat deze deeltjes dwars door de detector heen vliegen. En hoe kun je iets ontdekken wat je niet kunt pakken? Onze beste optie is gebruik maken van symmetrie of evenwicht. Wat je in de deeltjesversneller stopt, moet gelijk zijn aan wat er weer uitkomt.” En als dat niet zo is, zijn er dus ongezien deeltjes ontsnapt.

Maar er is nog een totaal andere manier waarop we naar donkere materie kunnen jagen. “Collega’s denken dat donkere materie overal zweeft,” legt Van Vulpen uit. “En dus beweegt ook de aarde door donkere materie heen. Heel af en toe zou de donkere materie daarbij op een atoomkern botsen.” En dat kunnen we in theorie detecteren. En dus proberen onderzoekers dat ook. “Collega’s van mij hebben diep onder een berg een vat pure xenon neergezet in de hoop dat donkere materie-deeltjes op de atoomkernen van dat xenon botsen. En daar wachten we nu dus op.”

Erik Verlinde
Hoe we de donkere materie uiteindelijk gaan detecteren, durft Van Vulpen niet te voorspellen. De grote doorbraak kan uit de hoek van de deeltjesversnellers komen, maar net zo goed afkomstig zijn uit een groot vat xenon. En dan is het ook nog altijd goed mogelijk dat we de donkere materie-deeltjes niet gaan vinden. “Het zou ook een illusie kunnen zijn. Dat is in feite wat Erik Verlinde beweert. Het geeft een fascinerende kijk op de zaak.”

Ongemakkelijk gevoel
Linksom of rechtsom zal dit hoofdpijndossier naar verwachting uiteindelijk wel gesloten kunnen worden. Van Vulpen kijkt er naar uit. “Dan kunnen we weer slapen ‘s nachts,” grapt hij, om serieus te vervolgen: “Binnen de natuurkunde en deeltjesfysica willen we alles begrijpen. Daarvoor ga je elke ochtend weer naar je werk. Tegelijkertijd weten we nu van 75 procent van de massa in het universum niet wat het is. En dat voelt heel ongemakkelijk.” Of natuurkundigen al snel van dit ongemakkelijke gevoel bevrijd worden, is koffiedik kijken. Maar Van Vulpen blijft optimistisch. “We kunnen donkere materie elk moment detecteren. Zo heeft het experiment met de xenon onlangs weer een nieuwe dataset opgeleverd. En misschien zit daar wel iets bij.” Mocht dat zo zijn, dan wordt er ongetwijfeld tegelijkertijd weer een nieuwe hoofdpijndossier geopend. “Als de theorie van supersymmetrie blijkt te kloppen, roept dat weer nieuwe vragen op,” erkent Van Vulpen. “Want waar komt die supersymmetrie dan vandaan?”

En als het donkere materie-deeltje zich voorlopig nog niet laat zien? Dan blijven de natuurkundigen gewoon zoeken. Want het voelt toch alsof ze heel dichtbij zijn. “Natuurkundigen roepen al tien jaar: ‘Vandaag is de dag!’. We zijn van nature naïef en optimistisch. Dat moet ook wel.”