Wetenschap
Geavanceerde experimentele opzet breidt de jacht op verborgen donkere materiedeeltjes uit
Wetenschappelijk bewijs voor donkere materie komt voort uit het observeren van de manier waarop deze de beweging van sterren en sterrenstelsels beïnvloedt. Wetenschappers geloven dat donkere materie uit deeltjes kan bestaan. Om naar deze deeltjes en hun biljartbalachtige botsingen te zoeken, hebben onderzoekers gebruik gemaakt van enkele van de grootste en meest gevoelige experimenten die ooit zijn gebouwd.
Deze experimenten hebben echter nog geen signalen van donkere materie gezien. Wetenschappers voorspellen dat donkere materiedeeltjes een zeer zwakke interactie zouden hebben. Dit betekent dat detectoren op aarde een ‘wind’ in donkere materiedeeltjes moeten kunnen waarnemen terwijl de aarde door donkere materie beweegt en in botsing komt met een klein aantal deeltjes.
Een andere mogelijkheid is dat wanneer er een zeldzame botsing plaatsvindt, de donkere materie volledig wordt geabsorbeerd, waardoor een kleine schok aan energie ontstaat. De Majorana Demonstrator is een stralingsdetector die zeer gevoelig is voor dit soort interacties. Het experiment bevindt zich diep onder de grond en is afgeschermd van omgevingsstraling zoals kosmische straling. De detectoren zijn extreem gevoelig voor kleine energiestoten.
Dankzij deze functies konden wetenschappers een zoekopdracht uitvoeren die vijf tot tien keer gevoeliger was dan vergelijkbare detectoren. De onderzoekers hebben het verwachte signaal van donkere materie niet gedetecteerd. Hierdoor kunnen wetenschappers de grenzen van de mogelijke massa donkere materie in verschillende modellen bijwerken. Deze resultaten zullen waarschijnlijk nog enige tijd de beste limieten blijven met behulp van deze specifieke detectortechnologie.
Het begrijpen van de aard en oorsprong van donkere materie zou het begrip van wetenschappers over het universum volledig revolutioneren. Veel theoretische modellen van donkere materie voorspellen dat de signalen ervan kunnen worden gedetecteerd met behulp van detectoren voor lage achtergrondstraling.
Door naar specifieke soorten donkere materie te zoeken en geen signaal te vinden, hebben wetenschappers die het Majorana Demonstrator-experiment uitvoeren de kenmerken van potentiële donkere materiedeeltjes aanzienlijk beperkt. Hoewel hun onderzoek gepubliceerd werd in het tijdschrift Physical Review Letters heeft donkere materie niet direct gedetecteerd, maar heeft een aanpak gebruikt die toekomstige experimenten kan helpen begeleiden.
In dit onderzoek gebruikten onderzoekers een geavanceerde experimentele opstelling met zeer zuivere germaniumdetectoren om naar verschillende soorten donkere materie te zoeken, waarbij ze geen significant signaal vonden dat door verschillende theoretische modellen werd voorspeld. Het experiment werd uitgevoerd in de Sanford Underground Research Facility. Een reeks universiteiten en laboratoria hebben samengewerkt om het experiment uit te voeren, waarbij een brede, interdisciplinaire inspanning werd geleverd.
De wetenschappelijke focus lag op het zoeken naar verschillende soorten ongrijpbare kandidaten voor donkere materie, waaronder steriele neutrino's en bosonische en fermionische donkere materie. Als er ooit donkere materie wordt gedetecteerd, zou dit een dramatisch inzicht bieden in de samenstelling van het universum en de natuurkunde die verder gaat dan het standaardmodel.
Het onderzoek versterkt ook de ongelooflijke gevoeligheid en het brede bereik van het Majorana Demonstrator-experiment op meerdere gebieden van de natuurkunde. Verschillende belangrijke onderzoeksprojecten hebben allemaal dezelfde onderliggende Majorana Demonstrator-dataset gebruikt.