In zijn college voor de Universiteit Van Vlaanderen over donkere materie neemt fysicus Dirk Ryckbosch je mee tussen de sterren, tot diep in het heelal.
Wie opkijkt naar de hemel ziet daar de Maan, planeten, de Zon, de Melkweg, … En met sterrenkijkers zien we ontelbaar veel andere sterren, gaswolken, andere sterrenstelsels. Allemaal heel verschillend, maar één zaak hebben ze allemaal gemeen: alles bestaat uit gewone materie. We herkennen atomen en molecules die we kennen van hier op Aarde. En altijd alleen maar atomen en molecules die we ook hier op Aarde vinden. Scheikundigen en natuurkundigen hebben ontdekt dat al deze atomen en molecules uiteindelijk bestaan uit een heel beperkt aantal elementaire deeltjes, zoals quarks en elektronen. Alle materie die we ooit gezien of bestudeerd hebben bestaat uit deze deeltjes.
Donkere Materie doet haar naam alle eer aan: ze is niet zichtbaar en heel moeilijk te vinden.
Maar tijdens de laatste decennia is het duidelijk geworden dat er in het heelal nog iets anders moet zijn dan die gewone materie. Zo hebben sterrenkundigen nauwkeurig gemeten hoe snel sterren in hun sterrenstelsel rond het centrum draaien. Dat blijkt veel sneller te zijn dan kan verklaard worden als je enkel maar naar de hoeveelheid zichtbare materie kijkt. Hieruit konden ze afleiden dat er in de sterrenstelsels ruwweg vijf keer zoveel materie zit als er zichtbaar is in de vorm van sterren. En ook uit verschillende andere astronomische metingen blijkt dit het geval te zijn. Op dit ogenblik weten we dat van alle materie in het heelal er maar zo’n 15% “gewone” materie is (die dus bestaat uit onze bekende elementaire deeltjes), en 85% is iets anders. Iets totaal anders. Iets dat geen licht uitstraalt of absorbeert: Donkere Materie.
Het is ondertussen al zo’n 20 jaar dat wetenschappers zeker zijn van het bestaan van die Donkere Materie. Maar wat is die eigenlijk? We weten zeker dat ze niet bestaat uit de “normale” deeltjes van de alledaagse materie. Ook zwarte gaten of andere exotische astronomische objecten kunnen ze niet echt verklaren. Dus is de kans groot dat deze Donkere Materie bestaat uit een totaal nieuw soort elementaire deeltjes, van een type dat nog nooit waargenomen is. En zo is er een wereldwijde zoektocht begonnen om te proberen de aard van de Donkere Materie te achterhalen. Deeltjesfysici proberen dat op verschillende manieren: met een Engelse uitdrukking spreekt men dan van “shake it, break it, make it.”
“Shake it”: Donkere Materie deeltjes bewegen voortdurend doorheen het heelal, en passeren ook de Aarde. Heel soms kan het gebeuren dat zo’n deeltje botst met gewone materie. Met uiterst gevoelige detectoren proberen wetenschappers dit te zien. In zo’n botsing zou een gewoon atoom, dat normaal vrijwel stilstaat, plots beginnen bewegen omdat het door een onzichtbaar Donker Materie deeltje een duw gekregen heeft. Dergelijke experimenten worden op verschillende plaatsen in de wereld uitgevoerd, meestal diep ondergronds om zo weinig mogeljk storende invloeden te ondergaan. Al jarenlang wordt er gemeten, maar tot nog toe zonder resultaat: we hebben nog nooit een botsing van Donkere Materie met gewone materie gezien. Bestaat die dan niet? Niet noodzakelijk, het betekent alleen dat we (nog) niet op de juiste plaats, met de vereiste gevoeligheid zoeken. En dus worden er nieuwe experimenten ontworpen en gebouwd.
“Break it”: Het enige dat we echt zeker weten over Donkere Materie is eigenlijk dat ze via de zwaartekracht aan gewone materie trekt. Dat betekent meteen ook dat dergelijke deeltjes zich kunnen ophopen in het centrum van bvb. de Aarde, de Zon, enz. En daar kunnen ze dan op elkaar botsen. Nu kan het eventueel gebeuren dat er in zo’n botsing deeltjes van de gewone materie ontstaan. Natuurlijk is het niet gemakkelijk voor deeltjes om te ontsnappen uit dergelijke plaatsen. Maar sommige deeltjes, zoals neutrino’s kunnen moeiteloos doorheen de Aarde of zelfs de Zon gaan. Op die manier zou het kunnen dat door botsingen van Donkere Materie deeltjes er iets meer neutrino’s uit het centrum van de Aarde of de Zon komen dan anders verwacht. Verschillende experimenten hebben gezocht naar zo’n overschot, maar voorlopig zonder resultaat. Nieuwe experimenten zetten deze zoektocht verder. Grotere en gevoeliger detectoren worden ontworpen en gebouwd.
“Make it”: er is nog een derde manier om naar onze Donkere Materie te zoeken. In de grote deeltjesversnellers die gebruikt worden om de fundamentele bouwstenen van de gewone materie te onderzoeken worden deeltjes met enorme energie met elkaar in botsing gebracht. Dat gebeurt o.a. in CERN, het grote Europese onderzoekscentrum voor deeltjesfysica bij Genève, Zwitserland. In de botsingen die gemaakt worden in de grote LHC-versneller daar (Large Hadron Collider) werd zo in 2012 het fameuze Higgs-deeltje ontdekt. Dit deeltje was al in 1963 door onze landgenoten Brout en Englert voorspeld. Na het succes van de ontdekking van het Higgs-deeltje zijn de experimenten in CERN nu hard aan het zoeken naar sporen van nieuwe deeltjes in de brokstukken van de botsingen. Nieuwe deeltjes die misschien afkomstig zijn van Donkere Materie, of er zelf deel van uit maken. De zoektocht is eigenlijk nog maar net begonnen, en voorlopig zijn er nog geen nieuwe deeltjes gezien. De komende jaren worden de experimenten met nog meer intensiteit verdergezet.
Donkere Materie doet dus echt wel haar naam alle eer aan: ze is niet zichtbaar en blijkbaar ook heel moeilijk te vinden. Gelukkig zijn wetenschappers geduldige en volhardende mensen. Naar het Higgs-deeltje werd uiteindelijk ook 50 jaar gezocht vooraleer het ontdekt werd. Met heel veel geduld worden als maar meer gevoelige experimenten opgezet en uitgevoerd om Donkere Materie te vinden. En de beloning belooft natuurlijk enorm te zijn: in ons heelal is er vijf keer zoveel Donkere Materie als gewone materie. Onze blik op het universum, en alles wat zich daarin bevindt, zal plots totaal anders worden als we die onzichtbare 85% tenslotte begrijpen. We zullen beter dan ooit onze plaats in het geheel van de dingen kunnen zien.
En daar is het de wetenschap uiteindelijk toch om te doen?
Universiteit van Vlaanderen: wetenschap in klare taal voor u uitgelegd
Fout opgemerkt of meer nieuws? Meld het hier