De wonderlijke zoektocht naar donkere materie

Afgelopen week was Co's collega Marike op bezoek in Oxford. Marike was gelijk met Co in Rome en ze delen een behoefte om de wereld te verkennen en te begrijpen. Ook buiten hun eigen onderzoeksterrein. Zo kwam het dat een oud historicus en een archeoloog samen in het Lecture Theatre van de Oxfordse afdeling natuurwetenschappen terecht kwamen om te luisteren naar een lezing van een professor van de CERN die zich bezig houdt met de detecteren van 'dark matter', donkere materie, een vorm van materie die essentieel is voor het functioneren van het heelal maar nog nooit is waargenomen.

Uit populair-wetenschappelijke tijdschriften kregen Co en Marike de indruk dat dit ongrijpbare materiaal gezocht wordt door een vat vol detectiemateriaal neer te zetten en dan domweg te wachten of er een miniscuul lichtflitsje optreedt van een donker materiedeeltje dat botst op een normale atoom. Zo'n beeld is natuurlijk veel te naïef en daarom waren Co en Marike zo blij om bij een bijeenkomst te mogen zijn van 's werelds knapste koppen die zouden laten zien hoe het werkelijk ging met het detecteren van donkere materie.

Helaas viel dat een beetje tegen: het bleek vooral een kwestie te zijn van het bouwen van een vat vol detectiemateriaal en dan domweg afwachten of er een miniscuul lichtflitsje optreedt. Gebeurt dat, dan vraag je subsidie aan voor een groter vat om die waarneming te bevestigen (als het niet gebeurt vraag je overigens ook subsidie aan voor een groter vat: dan was je detectievat blijkbaar niet groot genoeg voor een waarneming). Mocht je het geluk hebben dat je waarneming zich herhaalt, dan ga je vervolgens met al die knappe koppen bij elkaar zitten om te bedenken wat je nou eigenlijk gezien hebt... Kortom, ook in de quantumfysica handelen mensen gewoon als mensen: volgens trial and error. Ergens is dat wel een geruststellende gedachte.

Minder geruststellend is dat geen van de aanwezige fysici de grondslag onder dit onderzoek in twijfel leek te trekken. Hoewel we eigenlijk niets weten over donkere materie en de energietegenhanger ervan, donkere energie, menen natuurkundigen het toch nodig te hebben om het heelal om ons heen te verklaren. Volgens Einstein heeft alle materie, sterren, planeten en zelfs mensen, zwaartekracht. Die zwaartekracht is afhankelijk van de massa van elk 'voorwerp' (zie hier voor uitleg over zwaartekracht). In theorie bepaalt de wisselwerking van zwaartekracht tussen planeten, sterren en melkwegstelsels hoe ons heelal er uit ziet. Het probleem is echter dat, voor zover we kunnen zien, alle sterren en nevels bij elkaar te weinig massa hebben om de vorm van het heelal te kunnen verklaren. De totale massa moet ongeveer 6,5 keer zo groot moeten zijn dan dat van alle waarneembare sterren enzovoort bij elkaar. Dit wordt verklaard door er vanuit te gaan dat de rest van de noodzakelijke massa bestaat uit donkere materie.

Tot overmaat van ramp komt hier bij dat het heelal versneld lijkt uit te dijen, terwijl die uitdijing onder invloed van zwaartekracht steeds minder snel zou moeten gaan. Dit zou betekenen dat er een nieuw soort energie zou moeten bestaan die de zwaartekracht kan overwinnen: donkere energie (dark energy). Deze donkere energie zou een enorm vermogen moeten hebben, zo groot dat het 74% zou moeten uitmaken van alles dat in ons heelal aanwezig is. Het gevolg is dat volgens de huidige natuurkundige modellen alle sterren, nevels en energie die we kunnen waarnemen slechts 4% van het totaal lijken uit te maken! De rest bestaat uit donkere materie (22%) en vooral donkere energie (74%).

Het idee dat 96% van ons heelal (en dus ook van onze aarde) bestaat uit materie en energie waar we niets over weten en die we niet kunnen waarnemen is hoofdpijnverwekkend. En onwaarschijnlijk. Als Co met een onderzoek aan komt zetten waarvan slechts 4% met bronnen onderbouwd wordt en de rest uit onbewijsbare theorie bestaat dan zou er puree van gemaakt worden. Terecht. Gelukkig zijn het 'slechts' modellen: het kan zijn dat ze niet kloppen. Zo is het idee van het versneld uitdijende heelal vooral gebaseerd op waarneming van één soort sterren (supernova's) die geacht worden altijd en overal even helder te schijnen. Mochten er fluctuaties in die helderheid zijn, dan valt de belangrijkste steunpilaar onder het versneld uitdijende heelal weg en vervalt de noodzaak om 74% van ons heelal met donkere energie te vullen.

Eigenlijk geldt dat ook voor donkere materie. Wat de fysici hopen te vinden in hun detectievaten zijn WIMPs, deeltjes die alleen reageren op zwaartekracht en zo traag zijn dat ze nauwelijks energiesporen achterlaten. Maar uiteindelijk gaat het niet om deze wimp, maar om de vraag die er achter ligt: hoe is het verschil tussen de zichtbare massa in het heelal en de gemeten zwaartekracht te verklaren?Zwaartekracht is de meest invloedrijke, maar tegelijk minst begrepen kracht in ons universum. Het is de enige van de vier fundamentele natuurkrachten die niet gekoppeld kan worden aan een elementair deeltje en het wordt daarom buiten het standaardmodel gehouden, het kader waarbinnen deeltjesfysici onderzoek doen. Kort samengevat: WE WETEN NIET WAT ZWAARTEKRACHT IS. En we weten al helemaal niet hoe het precies werkt.

Misschien was dat wel het meest teleurstellende aan de verder boeiende lezing die Marike en Co meemaakte bij de Oxfordse natuurkundigen: de totale focus op het zoeken van een theoretisch deeltje dat alleen kan bestaan als je vanuit een bepaalde theorie kijkt. Waar zijn de alternatieven? Niemand bij de bijeenkomst bracht de hamvraag op tafel: wat is zwaartekracht eigenlijk? Zou het kunnen zijn dat we die verkeerd interpreteren? Een nieuwe kijk op zwaartekracht zou er wel eens toe kunnen leiden dat het met donkere materie net zo afloopt als met vele andere wetenschappelijke theorieën waar in het verleden veel geld en denkracht in is gestoken, zoals flogiston en de zoektocht naar het onbekende Zuidland (het enorme continent met de naam Terra Australis Incognita aan de onderkant van deze laat 16e eeuwse wereldkaart).

De ontdekkingsreizigers in de 17e en 18e eeuw maakten met hun reizen de potentiële ruimte voor het Zuidland steeds kleiner tot er uiteindelijk onvoldoende land overbleef om de beoogde theoretische rol te spelen als tegenwicht tegen de noordelijke continenten. Dat lijkt sterk op wat er nu gebeurt in het onderzoek naar de WIMP. Er is een potentieel gebied waarin de WIMP zich zou kunnen bevinden, maar met elke detectieproef van de deeltjesfysici wordt daar weer een stukje van afgeknabbeld. Een voorspelling van Co: uiteindelijk zullen de fysici wel iets vinden, maar het zal niet het ongrijpbare donkere materiedeeltje zijn. Goede kans dat tegen die tijd 96% van ons heelal een hersenspinsel blijkt te zijn geweest.