18 augustus 2018

Xenon1T: geen donkere materie gezien, wel scherpere limieten gehaald

Vandaag hebben onderzoekers van het XENON-samenwerkingsverband nieuwe resultaten van het meest gevoelige donkere-materie-experiment ter wereld gepresenteerd, acht keer gevoeliger dan soortgelijke eerdere experimenten. Wetenschappers wereldwijd keken uit naar de XENON1T-resultaten. De afbeeldingen hieronder zijn uit de presentatie van onderzoeksleider M. Lindner (Max Planck Instituut), die vanochtend de resultaten bekendmaakte.

Het nieuwe resultaat is gebaseerd op een ongeëvenaarde hoeveelheid meetgegevens en komt overeen met de verwachting van alleen achtergrondruis in de detector. Dat betekent dat er geen signalen van donkere materie werden gezien. 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 WIMP’s (Weakly interacting Massive Particles). WIMP’s zijn een categorie van donkere-materiedeeltjes die worden gezocht met experimenten zoals XENON1T, maar ook bij de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Genève, en in de ruimte. Het feit dat bij de XENON1T-meting geen aanwijzingen voor WIMP’s zijn gevonden, vormt de basis voor verder theoretisch en experimenteel onderzoek.

Nikhef levert binnen het XENON1T-samenwerkingsverband belangrijke bijdragen, zowel aan instrumentatie als aan data-analyse.

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. ”

Stan Bentvelsen, directeur Nikhef: “Onderzoek aan donkere materie is ongelooflijk spannend en met dit resultaat is de speurtocht een fors stuk opgeschoven. We hopen allemaal op een positief resultaat; een ontdekking van donkere materie zal de deeltjesfysica compleet overhoop halen, en motiveert ook toekomstig onderzoek met nieuwe versnellers naar verdere fysica voorbij het Standaard Model.“

Donkere materie

Donkere materie is één 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 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 donkere-materiedeeltjes rechtstreeks bevestigen, maar ook de gelegenheid geven om belangrijke eigenschappen te meten. Naar verwachting bewegen per seconde ongeveer een miljard donkere-materiedeeltjes 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 donkere-materiedeeltje 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: Nikhef

Reacties

  1. Het is niet zo provocerend bedoeld als het wellicht klinkt; maar is dit resultaat niet te zien als een bevestiging van de theorie dat donkere materie niet bestaat ?

    • Obelix Obelix zegt:

      Dat is ook mijn idee. Ze hebben zelfs nog niet eens ruis gevonden waarin DM zich zou kunnen verstoppen, laat staan dat ze überhaupt DM vonden.
      Zelfs met die 10 keer gevoeliger apparatuur verwacht is dat ze dus geen DM zullen vinden, misschien wel ruis.

      Me dunkt dat DM niet bestaat uit WIMP”s. …

      Groet, Paul

    • Nee, dat kan je niet zeggen op basis van deze waarnemingen. Wel dat er bepaalde uitsluitingen zijn, die WIMP’s qua massa kunnen hebben. Vandaar dat men ook steeds meer gaat denken aan lichte deeltjes donkere materie, zoals axionen en steriele neutrino’s. Ook is er aandacht voor thermische WIMP’s.

  2. Dit is trekken aan een dood paard. Misschien is DM wel een verkeerde benaming voor het probleem, het is wellicht een equivalente entiteit voor massa in de vorm van energie. Net zoals donkere energie als de tegenhanger hiervan dat we ook niet als deeltjes kunnen aantonen. Misschien vormen ze samen wel een duaal verschijnsel met 2 tegengestelde effecten. Misschien moeten we het eens over een hele andere boeg gooien en Henri Poincaré opgraven. Alleen het effect van “DM” is aangetoond, nu nog iemand die het echt begrijpt…

    • wouter zegt:

      Ook ‘energie’ bestaat volgens mij altijd uit/wordt gedragen door deeltjes.
      ‘Energie’ op zichzelf, zonder deeltje zou nieuwe natuurkunde zijn, met uitzondering van zwaartekrachtsgolven (die dragen energie en zolang we geen quantumbeschrijving van zwaartekracht hebben weten we niet of je die golven ook kunt beschrijven in termen van zwaartekracht-deeltjes).

      • Dat is een goeie, is energie mogenlijk zonder betrokkenheid vaan deeltjes. Moet ik even over nadenken.

        Als ik een steen van een kilo een meter omhoog til, heeft het potentiele energie…maar ja dat is er niet zonder de deeljes waarvan die steen is gemaakt

        Een zwart gat bestaat uit energie in de vorm van gebogen ruimte-tijd, maar dat zou je kunnen vergelijken met de zwaartekrachtsgolven die je noemt

        Een batterij kan ook niet bestaan zonder de materialen waarvan het is gemaakt

        Misschien juist een gebrek aan deeltjes? Een vacuum hier op aade kan werk verrichten

        Een foton, een massaloos deeltje, heeft wel momentum en kan ook op die wijze werk verrichten (zonnezeil b.v.). In hoeverre is een foton een deeltje, een bundeltje energie zijnde?

        • Obelix Obelix zegt:

          Energie zonder ‘bijbehorend’ deeltje, lijkt mij tovenarij. 😉
          Laten we dan maar vooral maar nietmeer opzoek gaan naar DM of evt. DE, want volgens mij is dat precies dergelijk soort magie….
          [ We leven in een magisch universum; slechts 4% van het al bestaat uit verklaarbare zaken, de rest is Tover.]

          Groet, Paul

          NB. Bij Maagdenburger halve bollen houdt niet het vacuüm de delen op elkaar, maar de uitwendige luchtdruk. Vacuüm verricht geen arbeid.
          Energie stroomt altijd van plus (overschot) naar min (ondermaat). Nooit anders om. 🙂

          • Die magische deeltjesloze kracht heet zwaartekracht.
            groet,
            Wim.

          • Daarom zei ik “hier op Aarde”. Als ik een vacuum creeer kan ik dat toch wel degelijk gebruiken om werk te verrichten, net zo goed als met het tegenovergestelde (pneumatisch gereedschap b.v.). Uiteraard moet ik eerst energie verbruiken om dat vacuum te maken, maar dat is hetzelfde als een batterij of accu die eerst opgeladen zal moete worden. En inderdaad in de ruimte heb ik niets meer aan dat vacuum omdat er dan geen drukverschil meer is.

            Of het graviton bestaat zal nog moeten blijken. En in ieder geval heb je er de aanwezigheid van materie/massa of geconcentreerde energie voor nodig. In beide gevallen is het geen deeltjesloze kracht.

      • Obelix Obelix zegt:

        Misschien is het grafiton inderdaad een golf/deeltje dualiteit. Maar zou dat niet betekenen dat er ook negatieve zwaarte kracht zou moeten bestaan? 😕

        Groet, Paul

        • Die negatieve vorm van die magische kracht vind ik een spannend idee. Er ligt nog een vraag over de energie die de uitdijing van het heelal versnelt. Het zou mij niet verbazen als er een relatie gevonden gaat worden tussen die in vacuum opborrelende afstotende kracht, en die bij massa optredende aantrekkende kracht.
          Dat heeft een soort schoonheid, dus moet wel waar zijn.

Trackbacks

  1. […] als achtergrondruis gaan zien. Hieronder zie je de laatste resultaten van de Xenon1T detector, die onlangs zijn gepubliceerd, limieten voor de massa en ‘cross section’ van WIMP’s, weergegeven door de rode […]

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.