Eigenlijk bent u een beetje raar. U, en ik, de krant die u nu leest, de aarde en de zon en de andere sterren en planeten: dit alles is absoluut in de minderheid. De plasma’s, atomen en moleculen waaruit de dingen die we kennen bestaan, vormen samen ongeveer een zevende van het gewicht dat er zou moeten zijn in het universum.

De resterende 85 procent van alle massa is… nou ja, niet zoek, in elk geval. Sterrenkundigen zien dat sterrenstelsels sneller om hun as draaien dan ze op grond van hun zichtbare massa zouden moeten. Ze zien dat grote astronomische objecten meer licht afbuigen dan ze op grond van hun zichtbare massa zouden moeten. Er moet dus meer spul zijn, en astronomen kunnen behoorlijk goed aanwijzen wáár precies. Het probleem zit hem in het ‘wat?’.

Als die ‘donkere materie’ gewoon uit deeltjes bestond die we al kennen, dan konden we het wel zien. Als het bestond uit dingen die goed interacteren met deeltjes die we wel kennen (op een andere manier dan via de zwaartekracht, tenminste), dan konden we die interactie wel zien. Tot nu toe werkt niks, en houdt de wetenschap die het universum bestudeert zich vooral bezig met het piepkleine beetje universum dat zich daadwerkelijk laat bestuderen.

Nobelprijs

Er is echter ook een behoorlijk grote groep natuur- en sterrenkundigen die blijft jagen op de donkere materie. De ontdekker zal het vakgebied in één klap zeven keer zo groot maken, en staat gegarandeerd een Nobelprijs te wachten. De zoektocht duurt al decennia, en er zijn prachtige ideeën gelanceerd waarvan later bleek dat ze niet waar konden zijn, peperdure meetinstrumenten gebouwd die niets vonden, en signalen gevonden die elke keer vals alarm bleken.

Een paar fysici, met de Amsterdamse Erik Verlinde als bekendste voorbeeld, denken mede daarom dat het missende-materie-probleem beter opgelost kan worden met alternatieve theorieën over zwaartekracht. Maar vooralsnog hebben de mensen die moeilijk vindbare deeltjes willen vinden de hoop nog niet opgegeven: hun benadering klopt met de observaties, en levert toetsbare hypotheses op.

Zolang de deeltjes in kwestie nog niet te pakken zijn, kunnen theoretici naar hartenlust rekenen aan wat ze zouden kúnnen zijn. Duik in het onderwerp, en je komt exotische termen tegen als Q-balls, neutralino’s en axionen: allemaal oplossingen die vooralsnog alleen op papier bestaan. Theoretisch natuurkundige Alexey Boyarsky van het Instituut Lorentz zet zijn geld in op een donkere-materie-kandidaat die ‘steriele neutrino’ heet.

Als die bestaat, zou dat bovendien ook meteen het antwoord zijn op een paar andere kosmologische vraagstukken. In een binnenkort verschijnende publicatie in Progress in Particle and Nuclear Physics zet hij samen met vier collega’s de stand van het onderzoek naar die kandidaat op een rijtje. ‘Het veld ontwikkelt zich snel, en steriele neutrino’s worden steeds populairder’, legt hij uit. ‘Dus het werd tijd voor zo’n overzichtsartikel.’

Spoken

Neutrino’s komen vrij bij kernreacties: in de tijd die u nodig heeft om dit stuk te lezen jetsen er vele miljarden door u heen, en dwars door de aarde. Natuurkundigen en de mensen die over natuurkunde schrijven strooien daarom graag met de term ‘spookdeeltjes’, ook al bestaan spoken niet en neutrino’s wel. Tenminste: van drie soorten staat dat vast, en ook dat ze een piepklein beetje massa hebben. Er zou een vierde smaak kunnen zijn, en het standaardmodel van de fysica voorspelt dat áls die bestaat, hij nog minder met gewone materie te maken heeft dan de andere drie. De drie ‘gewone’ varianten botsen héél soms precies op een atoomkern, en reageren daar dan mee via de zogeheten zwakke kernkracht. Dat resulteert in een klein lichtflitsje, en dat lichtflitsje kan je meten met behulp van heel krachtige sensoren. Onder het ijs van Antarctica bevindt zich IceCube, een stelsel van duizenden van zulke sensoren. Het is een telescoop van een kubieke kilometer groot, die het heelal bekijkt aan de hand van sporen van neutrino’s, in plaats van met licht.

‘De structuur van het standaardmodel vereist dat als er neutrino’s bestaan met de structuur die we vermoeden, dat ze dan geen lading hebben voor alle bekende interacties, dus ook niet voor die zwakke kernkracht’, legt Boyarsky uit. Vandaar dat ze ‘steriel’ genoemd worden, en vandaar dat het zo verrekte lastig is om ze te vinden, als ze überhaupt bestaan.

‘Ze hebben echter een klein kansje om zich te mengen met de gewone neutrino’s, en zich dan “gewoon” te gaan gedragen.’ Dan zou je dus ergens meer of juist minder gewone neutrino’s meten dan je zou verwachten. Dat gebeurde niet bij IceCube, en ook niet bij andere experimenten in Amerika, China en Frankrijk. Een van de IceCube-onderzoekers vergeleek de steriele neutrino’s met Elvis: ‘Mensen zien overal sporen ervan, en denken dus dat ’t echt bestaat.’

Parameter

Als vier experimenten geen spoor van je onderzoeksobject weten te vinden, zou je kunnen overwegen om over te stappen naar een ander vakgebied. Boyarsky ziet dat anders: de experimenten geven alleen grenzen aan: als steriele neutrino’s bestaan, zijn ze bijvoorbeeld in elk geval niet zo-en-zo zwaar, want anders zouden ze al zijn opgedoken. ‘Er is echter nog een enorme parameter space over, we hebben maar een klein gedeelte van de mogelijkheden onderzocht.’

Even leek het alsof Boyarsky beet had. Twee groepen sterrenkundigen, waaronder eentje waar hij mee samenwerkt, vonden in 2014 een piekje in de röntgenstraling die uit verschillende sterrenstelsels kwam. Het zou kunnen dat dat precies overeenkomt met de röntgenstraling die vrijkomt als een steriel neutrino vervalt tot een gewoon neutrino. Het zou ook kunnen dat het straling is die vrijkomt als er elektronen overspringen bij botsingen van heet gas met koud gas. ‘Dat laatste is nog steeds niet uitgesloten’, aldus Boyarsky, ‘maar het is moeilijk om te zien waarom we dan precies hetzelfde piekje op zoveel verschillende plekken zouden meten. Over twee à drie jaar gaat de Japanse ruimtevaartorganisatie Jaxa een nieuwe satelliet lanceren, die antwoord op deze vraag kan geven.’

Die satelliet is één van de aankomende experimenten die steriele neutrino’s zouden kunnen vinden. Bij het deeltjesversnellercentrum CERN in Genève begint in 2026 een experiment waarvan Boyarsky mede-initiatiefnemer is. Het heet SHiP: de Search for Hidden Particles, en het kan systematisch allemaal verschillende mogelijkheden aftasten. Als de steriele neutrino’s bestaan, neemt het aantal plekken waar ze zich kunnen verstoppen langzaam af.

Bart Braun