Nieuwe resultaten van donkeremateriedetector XENON1T

28 mei 2018

Wetenschappers van het XENON-samenwerkingsverband, waarbij ook diverse UvA-natuurkundigen betrokken zijn, hebben nieuwe resultaten van het meest gevoelige donkere-materie-experiment ter wereld gepresenteerd, acht keer gevoeliger dan soortgelijke eerdere experimenten. Het nieuwe resultaat is gebaseerd op een ongeëvenaarde hoeveelheid meetgegevens en komt overeen met de verwachting van alleen achtergrondruis in de detector.

De XENON1T-detector, gevuld met vloeibaar xenon, bevindt zich diep onder de grond in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië. Hier speuren onderzoekers naar donkere materie in de vorm van Weakly interacting Massive Particles (WIMP). WIMP’s zijn een categorie van donkeremateriedeeltjes die worden gezocht met experimenten zoals XENON1T, maar ook bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève, en in de ruimte. Wetenschappers wereldwijd keken uit naar de XENON1T-resultaten. Het feit dat bij deze meting geen aanwijzingen voor WIMP‘s zijn gevonden, vormt de basis voor verder theoretisch en experimenteel onderzoek.

Nieuwe limiet

Patrick Decowski, programmaleider van de onderzoeksgroep Donkere Materie bij Nikhef en hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam: 'XENON1T zet met deze resultaten een nieuwe limiet op de wisselwerking tussen WIMP’s en gewone materie. Het experiment zelf doet het geweldig, maar mogelijk hebben WIMP’s een nog kleinere kans dan we al dachten om tegen gewone materie aan te botsen. Een andere mogelijkheid is dat donkere materie bestaat uit een ander soort subatomair deeltje. Ook daar zijn we met XENON1T naar op zoek.'

De XENON1T-resultaten zijn gebaseerd op een meting van 279 dagen met maar liefst 1300 kilogram aan vloeibaar xenon. Het experiment heeft de laagste achtergrondruis ooit in dit soort experimenten bereikt.

Auke-Pieter Colijn, senior onderzoeker bij Nikhef en verbonden aan de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit Utrecht: 'Natuurlijk hadden we gehoopt donkere-materiedeeltjes te vinden, maar ze laten zich moeilijk vangen. Over een jaar hebben we een verbeterde detector die tien keer gevoeliger is en dan zijn we hopelijk alsnog de natuur te slim af.'

XENON1T

Het ondergrondse XENON-experiment. Links de watertank met een poster die laat zien wat zich in de tank bevindt. Rechts het drie verdiepingen tellende service-gebouw.

Donkere materie

Donkere materie is een van de basisbestanddelen van het heelal. Er bestaat vijf keer meer donkere materie dan gewone materie. Vele astronomische metingen hebben het bestaan van donkere materie bevestigd. Wereldwijd proberen verschillende onderzoeksgroepen botsingen van subatomaire donkere-materiedeeltjes met gewone materie waar te nemen in extreem gevoelige detectoren. Waarnemingen van deze botsingen zouden niet alleen het bestaan van donkeremateriedeeltjes rechtstreeks bevestigen, maar ook de gelegenheid geven om belangrijke eigenschappen te meten. Naar verwachting bewegen per seconde ongeveer een miljard donkeremateriedeeltjes door elk van ons heen. De wisselwerking tussen donkere-materiedeeltjes en gewone materie is echter zo zwak dat ze tot nu toe aan directe detectie zijn ontsnapt. Dit stelt wetenschappers voor de uitdaging om steeds gevoeligere detectoren te bouwen.

De XENON1T-detector

XENON1T bevindt zich in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italië, het grootste ondergrondse laboratorium ter wereld. De centrale XENON1T-detector is een cilindrisch vat gevuld met vloeibaar xenon. Het zit in een cryostaat in het midden van een watertank van 10 meter diameter en hoogte, om het experiment zoveel mogelijk af te schermen van natuurlijke radioactiviteit. De cryostaat houdt het xenon op een temperatuur van -95 °C. De berg boven het laboratorium schermt de detector verder af voor verstoringen door kosmische stralen. Een botsing tussen donkere materie en xenon resulteert in een minuscule lichtflits. De lichtflitsjes geven informatie over de positie en de energie van het gebotste deeltje; ze worden gebruikt om te bepalen of de flits is ontstaan door een donkeremateriedeeltje of niet.

XENON1T werd eind 2015 in bedrijf genomen, en is vier ordes van grootte gevoeliger dan XENON10. Dat was het eerste donkere-materie-experiment dat door het XENON-samenwerkingsverband in 2005 is gebouwd. De grotere gevoeligheid van XENON1T is bereikt door de hoeveelheid vloeibaar xenon voor de donkere-materieanalyse van 5 kilogram naar 1300 kilogram te verhogen, en de achtergrondruis van natuurlijke radioactiviteit met een factor 5000 verder te onderdrukken.

Toekomst

XENON1T blijft met hoge gevoeligheid meetgegevens verzamelen en naar donkere-materiedeeltjes zoeken totdat het experiment geüpgraded zal worden naar XENONnT. XENONnT zal met een vier keer zo grote massa van xenon en met tien keer minder achtergrond vanaf 2019 de zoektocht naar donkere-materiedeeltjes voortzetten.

Bron: persbericht Nikhef

Gepubliceerd door  IOP