Jarenlang werden ze uitgelachen door de rest van het donkere-materiewereldje, maar het bewijs wordt nu steeds onomstotelijker dat de onderzoekers van DAMA/LIBRA gelijk hebben en dat ze daadwerkelijk donkere materie hebben aangetroffen. Ook de groten gaan nu om. Weer eens een gevalletje Kuhn, zoals zo vaak in de wetenschap.
Donkere materie
Het heelal is gevuld met mysterieus onzichtbaar spul dat niet met licht (of andere waarneembare elektromagnetische straling) reageert. Het zendt geen licht uit en reflecteert, absorbeert of weerkaatst het ook niet. Astronomen weten echter dat het bestaat door de zwaartekrachteffecten op de materie er om heen. Ze noemen het donkere materie.
Er is alleen een probleem. Als donkere materie bestaat, moet er heel veel van bestaan om de ontbrekende materie te verklaren: ongeveer 83 procent van alle massa in het heelal moet uit donkere materie bestaan, alleen de overige 17% is zichtbaar. Ook ons zonnestelsel zou vergeven moeten zijn van dit spul, maar waar deeltjesjagers ook kijken, ze vinden niets.
Donkere materie bestaat…
Dat wil zeggen: de meesten. De afgelopen jaren is één groep wetenschappers er van overtuigd dat ze er in zijn geslaagd om donkere materie te vinden. Ze hebben een klont van 250 kilogram natriumjodide (keukenzout, maar dan met jodium in plaats van chloor) met een spoor thallium, in een oude mijnschacht meer dan een kilometer onder de Italiaanse granietberg Gran Sasso opgesteld. Als een exotisch zwaar deeltje botst met een deeltje in dit kristal, ontstaat een foton en moeten de gevoelige lichtdetectoren in de buurt dat waarnemen.
Dit experiment heet DAMA/LIBRA en de resultaten ervan zijn controversieel. Terwijl deeltjes donkere materie fotonen kunnen genereren in het kristal, kunnen andere deeltjes dat ook. Het experiment pikt dus ook achtergrondstraling uit de berg, kosmische straling en thermische neutronen op, wat het experiment behoorlijk wat ruis verschaft.
Aarde veegt donkere materie op
Er is echter een manier om het donkere-materie signaal te scheiden van deze achtergrondruis. De zon draait immers om de melkwegkern heen in ongeveer 200 miljoen jaar. Omdat de aarde rond de zon draait, beweegt de aarde soms tegen de beweging van de zon om de melkwegkern in, zes maanden later (of eerder) beweegt de aarde juist met de zon mee. In het eerste geval zal de detector minder donkere materie ‘opvegen’, in het tweede geval juist meer. Er moet dus een jaarlijks ritme in de waarnemingen van de detector zitten.
Jaarlijkse variatie
Dit is exact wat de mensen van DAMA en LIBRA stellen waar te nemen. Het donkere-materie signaal is op zijn sterkst in mei en valt dan weg. Het gaat hier ook niet om een zwak signaal, maar een signaal dat statistisch gezien zo sterk is dat de kans dat de onderzoekers zich vergissen vrijwel uitgesloten is. Echter, weinig natuurkundigen namen de resultaten van DAMA/LIBRA serieus (hoewel wij op Visionair dit wel deden – zeker gezien een andere opvallende ontdekking: de jaarlijkse periodiciteit van radioactief verval). Dit omdat andere detectors geen signaal waarnamen. Nu begint het ook meer mensen te dagen, omdat in de Amerikaanse detector CoGeNT in een zoutmijn in Minnesota vergelijkbaar bewijs is gevonden als dat in het DAMA/LIBRA experiment. Hun bewijs voor donkere materie is weliswaar statistisch niet zo sterk als dat van DAMA, maar toont exact dezelfde geheimzinnige periodiciteit: een piek einde april-begin mei.
Steeds meer sceptici bekeerd
Dan Hooper van Fermi National Accelerator Laboratory en Chris Kelso van de University of Chicago hebben de data van CoGenT and DAMA/LIBRA geraadpleegd en zeggen dat ze overeenkomen met elkaar. “Als de detector piekt begin mei piekt, zou dat een modulatie betekenen die overeenkomt met die van de DAMA/LIBRA samenwerking. En de beweging van de aarde door de Melkweg. Een gang naar Canossa, gezien het scepticisme waarmee de DAMA/LIBRA mensen werden behandeld. maar hier stopt het bewijs allerminst. Hooper en Kelso zeggen ook dat het type donkere materie dat DAMA/LIBRA en CoGeNT hebben aangetoond, consistent is met andere indirect bewijs van donkere materie uit andere experimenten. Zo heeft de Fermi Gamma Ray Space Telescope een gammaspectrum (energieverdeling van gammastraling) waargenomen dat overeenstemt met het type donkere materie dat DAMA postuleert. De WMAP satelliet heeft ook een lichtgloed waargenomen, uitgezonden door elektronen in de buurt van het hart van de Melkweg.
En er komt nog meer bewijs. Ook het samenwerkingsverband CRESST meldt dat er “sterke aanwijzingen zijn dat er een CoGeNT-achtig donkere-materiedeeltje bestaat”. DAMA/LIBRA noemen was klaarblijkelijk wat te beladen. In enkele maanden is het donkere-materie wereldje radicaal omgeslagen. Na jaren ontbreken van waarnemingen (m.u.v. DAMA/LIBRA), is er nu een lawine van data. Kortom: weer een gevalletje paradigma-shift à la Kuhn. De wetenschappelijke wereld vertoont toch opmerkelijk veel kuddegedrag. Waarschijnlijk zullen de geplaagde wetenschappers onder de Gran Sasso nu een welverdiende fles chianti opentrekken en gaan genieten van hun uiteindelijke triomf.
Bronnen
1. The Dark Matter Data Bonanza, Arxiv Blog, MIT Technology Review
2. Dan Hooper en Chris Kelso, Implications of CoGeNT’s New Results For Dark Matter, Arxiv (2010)
3. DAMA/LIBRA experiment
Het visuele aspect van ‘donkere materie’ is interessant. Maar waarom zeggen ze ‘donkere materie’?
Donkere materie verschilt in ieder geval in helderheid. Zwart en wit zijn achromatisch. (Kleuren zijn chromatisch.) Lichtvlakken reflecteren meer dan donkere vlakken. Vaak is er ook sprake van contrastwerking, contrast accentueert het verschil tussen twee aangrenzende gebieden. Deze verscherping zal dan ook maximaal zijn waar de afstand tussen de twee contrasterende gebieden het kleinst is. Maar door deze versterking van contrasten (aan de randen) worden soms contrasten gezien die er niet zijn. (Denk aan het effect bij machbanden).
Echter ‘donkere materie’ is onzichtbaar, zoals in het artikel staat. Geen pigment/golflengte? En niet hetzelfde als achromatisch d.w.z. ‘kleurloos’.
Het is dus niet een kwestie van zintuiglijke waarneming maar meer van perceptie (op drie gebieden).
a. De perceptie van diepte: waar is het?
Dieptewaarneming is afhankelijk van ons vermogen het tweedimensionale netvliesbeeldje te vertalen naar drie dimensies. In het algemeen: Verschillende diepte-cues kunnen daarbij behulpzaam zijn, zoals binoculaire en monoculaire diepte-cues en de bewegingsparallax.
b. De perceptie van beweging: wat doet het?
De waarneming van de beweging stelt ons in staat behalve voorwerpen ook gebeurtenissen te zien. De waarneming van beweging is niet onlosmakelijk verbonden met verschuivingen van het retinale beeldje; men kan ook beweging waarnemen zonder dat een bewegende prikkel wordt aangeboden (bijvoorbeeld bij stroboscopische beweging) en omgekeerd stilstaande voorwerpen als stationair waarnemen, ondanks het voortdurend veranderende netvliesbeeld.
c. De perceptie van vorm: wat is het?
De waarneming van vorm is het belangrijkste middel om een voorwerp te herkennen. De mens is in staat een object te zien als een samenhangende eenheid die verschilt van de achtergrond. Er zijn verder mechanismen van patroonherkenning die het mogelijk maken vast te stellen wat een voorwerp voorstelt.
De onzichtbare materie heeft in ieder geval zwaartekracht ofwel aantrekkingskracht. Het lijkt me ook een stabiliserende factor en misschien wel oorzaak van de mooie cirkelvorm van de vaste baan van planeten. De materie lijkt een soort lijm, die ook aantrekkingskracht heeft, als ik dat zo mag stellen. Misschien is de materie een Higgs-pasta (veld)…?
Ze noemen het donkere materie omdat het onbekende materie is, net als donkere energie.
En het help ook om de melkweg bijelkaar te houden geloof ik.