Oeps, straks stuiten de donkere materie detectoren op de neutrinovloer

De over de hele wereld verspreidde detectoren van donkere materie, die ondergronds proberen om direct deeltjes donkere materie te detecteren, worden steeds gevoeliger. Zo gevoelig zelfs dat ze naar verwachting binnen enkele jaren zullen stuiten op de zogeheten ‘neutrinovloer’. De in 1930 door Enrico Fermi gepostuleerde neutrino’s, die in 1956 voor het eerst werden gedetecteerd, worden ook wel  omschreven als “the most tiny quantity of reality ever imagined by a human being.” Met tientallen miljarden per seconde vliegen ze door iedere vierkante centimeter van je lichaam, waar je niets van merkt en met gemak vliegen ze dwars door een blok lood van een lichtjaar lang. Dat komt simpelweg omdat ze niet reageren op de sterke en elektromagnetische wisselwerking, wel op de zwakke wisselwerking. En in dat laatste verschillen ze van de WIMP’s, de ‘weakly interactive massive particles’, de hypothetische deeltjes van donkere materie, die (vermoedelijk) zelfs niet met de zwakke wisselwerking reageren. Detectoren zoals CDMS, XENON, DAMA, PANDA en LUX bestaan uit grote vaten diep onder de grond, die vol met ijskoude vloeistoffen zitten, omringd met allerlei gevoelige sensoren.

Als een passerende WIMP reageert met een deeltje van die vloeistof, wat in theorie af en toe zou kunnen gebeuren (zie de afbeelding hierboven), dan meten de sensoren dat en als dat vaak genoeg gebeurt dan hoopt men dat het signaal sterk genoeg is om boven de achtergrondruis uit te komen. En dan hebben we het eigenlijk gelijk over het naderende probleem van die neutrinovloer. Want als die detectoren steeds gevoeliger worden, doordat ze grotere vaten krijgen en de sensoren door geavanceerde apparatuur steeds beter worden, dan komt er een moment dat ze ook passerende neutrino’s 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 lijn, en daarin zie je dat ‘ie nog maar net boven de neutrinovloer uitkomt, het rozegekleurde gebied onderaan.

Toekomstige detectoren, zoals SuperCDMS, LUX-ZEPLIN en DARWIN, die nu in aanbouw zijn, zouden dan echt onder die grens duiken en als het ware door de neutrinovloer zakken. Nou betekent dat niet direct einde verhaal, maar het maakt de detectie van WIMP’s dan wel ingewikkelder. Want als die neutrino-achtergrond erbij komt, die vooral veroorzaakt wordt door de 65 miljard neutrino’s van de zon die per seconde per vierkante centimeter passeren, dan is het zaak dat men het WIMP-signaal scheidt van de neutrino-achtergrond. Zo zal het WIMP-signaal vooral in juni pieken en in december een minimum hebben, vanwege de baan van het zonnestelsel in de Melkweg en de richting tegen de stroom van WIMP’s in of met de stroom mee (zie afbeelding hieronder).

De zonneneutrino’s pieken vooral in januari, als de aarde z’n perihelium heeft en het dichtste bij de zon staat, in juli is er een minimum. Natuurkundigen hopen uiteraard dat het zo ver niet hoeft te komen en dat WIMP’s worden gedetecteerd terwijl ze nog boven de neutrinovloer zitten. Bron: Symmetry Magazine.