Donkere materie krijgt twee nieuwe aanwijzingen — geen van beide is een ontdekking

De zoektocht naar donkere materie krijgt nieuwe impulsen vanuit twee heel verschillende hoeken. SuperCDMS SNOLAB is begonnen met de eerste wetenschappelijke metingen in een ondergrondse detector die minuscule deeltjesinteracties probeert vast te leggen. Tegelijkertijd meldt een heranalyse van 15,5 jaar aan gegevens van de Fermi Large Area Telescope een smalle gammastraalstructuur rond 43,2 GeV in meerdere nabije clusters van sterrenstelsels.

Geen van beide resultaten bewijst dat donkere materie is gevonden. SuperCDMS bevindt zich nog in een vroege fase en het gammastraalsignaal is voorlopig slechts een veelbelovende aanwijzing die onafhankelijke controles moet doorstaan.

1. SuperCDMS SNOLAB begint aan de eerste wetenschappelijke meetfase

Waarom de detector diep onder de grond en extreem koud staat

SuperCDMS SNOLAB ligt ongeveer 2 kilometer onder de grond in SNOLAB, een diep ondergronds laboratorium in de Vale Creighton-mijn bij Sudbury in de Canadese provincie Ontario. Het gesteente boven de detector helpt de achtergrondruis van kosmische straling en andere stralingsbronnen te verminderen. Zulke signalen zouden anders een interactie van donkere materie kunnen nabootsen. 81113

De detector wordt bovendien uitzonderlijk sterk gekoeld. De silicium- en germaniumkristallen werken bij ongeveer 15 millikelvin: slechts enkele duizendsten van een graad boven het absolute nulpunt. Door de temperatuur zo laag te houden, kunnen onderzoekers thermische ruis onderdrukken en zoeken naar de uiterst kleine energieafzetting die ontstaat wanneer een licht deeltje donkere materie een kristal raakt. 1215

Waar SuperCDMS naar zoekt

Het experiment bestaat uit 24 detectoren met twee soorten doelmateriaal: germanium en silicium. De detectoren zijn opgesteld in torens en gebruiken aanvullende technieken om warmte- en ladingssignalen te meten. Zo combineert SuperCDMS een zeer lage energiedrempel met de mogelijkheid om achtergrondsignalen beter te onderscheiden. 101114

Daarmee richt het experiment zich op een deel van de donkere-materiejacht dat voor andere detectoren lastig kan zijn: relatief lichte kandidaten. SuperCDMS moet onder meer deeltjesmassa’s kunnen onderzoeken die minder goed toegankelijk zijn voor grotere experimenten die op andere energiegebieden zijn geoptimaliseerd. 69

Wat de vroege meetfase betekent

De eerste gegevens volgen op ongeveer zes maanden ingebruikname en afstelling van het experiment. Dit is nog niet de meetronde met de uiteindelijke gevoeligheid. De onderzoekers gebruiken de eerste data om de prestaties van de detector te controleren, achtergrondsignalen in kaart te brengen en de analysemethode te verfijnen. De grootschalige zoektocht moet in 2027 beginnen. 12

Dat onderscheid is belangrijk. De vroege data kunnen al nieuwe bovengrenzen opleveren of een onverwachte kandidaat-gebeurtenis bevatten, maar de grootste kans op een ontdekking ontstaat pas wanneer het systeem volledig is gekarakteriseerd en op de beoogde gevoeligheid draait.

2. Fermi-gegevens tonen een voorlopige gammastraallijn rond 43,2 GeV

Wat de analyse vond

Een afzonderlijke studie onderzocht 15,5 jaar aan publiek beschikbare gegevens van Fermi-LAT uit de richting van 13 nabije, zware clusters van sterrenstelsels. De onderzoekers rapporteren een lijnachtige overmaat rond 43,2 GeV. De sterkste bijdrage komt volgens de analyse uit de clusters Virgo, Fornax en Ophiuchus.

Een smalle gammastraallijn is interessant omdat sommige modellen van donkere materie voorspellen dat annihilerende deeltjes fotonen met een kenmerkende energie kunnen produceren. Vanuit die interpretatie zou het signaal kunnen passen bij de annihilatie van zogenoemde WIMP’s — hypothetische, zwak wisselwerkende zware deeltjes. Het resultaat is daarmee een mogelijke aanwijzing uit de deeltjesfysica, geen rechtstreekse meting van donkere materie zelf.

Waarom dit nog geen ontdekking is

Het resultaat is intrigerend, maar statistische betekenis is niet hetzelfde als bevestiging. In de aangeleverde analyse wordt een significantie van ongeveer 4,3 sigma genoemd. Dat ligt onder de conventionele grens van 5 sigma die in de deeltjesfysica vaak als maatstaf voor een ontdekking wordt gebruikt. Een afzonderlijke conferentiesamenvatting van verwante analyses rond 43 GeV noemt bovendien een lagere significantie van 3,7 sigma na correctie voor het zogenoemde look-elsewhere-effect: de statistische straf voor het doorzoeken van veel energieën en dataselecties.

Een lijnachtig signaal kan ook ontstaan zonder dat donkere materie de oorzaak is, bijvoorbeeld door:

• een onvolmaakt model van astrofysische gammastralingsachtergronden;
• een statistische toevalligheid die sterker lijkt doordat veel energieën of doelwitten zijn onderzocht; of
• een effect van het instrument, de kalibratie of de selectie van gebeurtenissen.

Ook eerder onderzoek met Fermi-LAT naar clusters van sterrenstelsels beschreef een mogelijke structuur rond 43 GeV, maar vond geen wereldwijd statistisch significante lijn. Daarom moet het nieuwe resultaat voorlopig worden gezien als een spoor voor vervolgonderzoek, niet als bewijs dat WIMP’s zijn gedetecteerd.

Hoe de twee ontwikkelingen bij elkaar passen

SuperCDMS en de Fermi-analyse testen verschillende mogelijkheden voor donkere materie:

• SuperCDMS is een direct-detectie-experiment. Het wacht op een deeltje donkere materie dat energie overdraagt aan een koud germanium- of siliciumkristal.
• De Fermi-analyse is een indirecte zoektocht. Daarbij wordt gezocht naar straling die kan ontstaan wanneer deeltjes donkere materie in dichte kosmische structuren annihileren.

Een positief resultaat met een van beide methoden moet eerst worden onderscheiden van gewone achtergrondsignalen en vervolgens door aanvullend bewijs worden bevestigd. Als onafhankelijke methoden hetzelfde resultaat zouden opleveren, zou dat bijzonder overtuigend zijn. Zover is het nu nog niet.

Wat gebeurt er nu?

Voor de ondergrondse zoektocht is de volgende belangrijke stap de overgang van ingebruikname en vroege metingen naar de geplande meetfase met volledige gevoeligheid in 2027. De grotere meetblootstelling en betere kennis van de achtergrond moeten een sterkere test bieden van modellen voor lichte donkere materie. 26

Voor de gammastraalaanwijzing is herhaling de doorslaggevende test. Nieuwe waarnemingen met een hogere gevoeligheid of betere energie-resolutie kunnen uitwijzen of de structuur rond 43 GeV telkens in dezelfde clusters terugkeert en zich gedraagt zoals een model voor donkere materie voorspelt. Metingen door onafhankelijke instrumenten zouden bovendien kunnen helpen om Fermi-specifieke systematische effecten uit te sluiten.

Ook NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope zal donkere materie op een andere manier onderzoeken. Met grootschalige infraroodmetingen en zwaartekrachtlenzen moet de telescoop in kaart brengen hoe donkere materie is verdeeld en hoe haar zwaartekracht zichtbare sterrenstelsels beïnvloedt. Roman is dus niet bedoeld om WIMP’s rechtstreeks te detecteren.

Samen laten deze programma’s zien waarom het onderzoek naar donkere materie verschillende strategieën nodig heeft: mogelijke botsingen op aarde meten, annihilatieproducten in de ruimte opsporen en de onzichtbare materie volgen via haar zwaartekrachteffecten op het heelal. De meest verantwoorde conclusie is voorlopig dan ook bescheiden: de zoektocht heeft twee waardevolle aanwijzingen gekregen, maar nog geen definitief antwoord.