The Nikhef Dark Matter Program

The Nikhef Dark Matter Program Patrick Decowski

with Matteo Alfonsi, Auke-Pieter Colijn, Rolf Schön, Andrea Tiseni

Nikhef Jamboree - Dec 2012 1

What is the subatomic origin of Dark Matter?

Rotational Curves

Weak Lensing

Galaxy Clusters Large Scale Structure

Anisotropy in CMB

Overwhelming cosmological evidence for non-luminous “Dark Matter”

But what is the subatomic origin? → It has to be a new particle

2

Three ways to find Particle Dark Matter DM

SM

scattering

DM

SM

Three different ways how Dark Matter particles may interact with Normal Matter DM DM

annihilation

SM

SM

SM

SM

DM

production

DM

Patrick Decowski 3

Three ways to find Particle Dark Matter DM

SM

scattering

DM

SM

ATLAS, LHCb

XENON

DM DM

SM

annihilation

SM

FERMI Satellite ANTARES

DM

SM

SM

production

DM

Patrick Decowski 4

Direct Detection DM Experiments Dark Matter is all around us

• Uses the local “WIMP9 wind” in DM halo of Milky Way : 3

⇢DM ⇡ 0.3 GeV/cm = !⇠ 109 WIMPs m vsolar ⇡ 220km/s ; MWIMP ⇠ 100GeV

2

s

1

Elastic scattering:

• • Most direct method of identifying dark matter • Current limits set interaction cross section at σ < 10 Elastic scattering off a heavy nucleus

Xenon

WIMP

-44

cm2

Patrick Decowski 5

The real detector XENON100 detector

30cm

~160kg of xenon

30cm 6

The real detector XENON100 detector

30cm

~160kg of xenon

30cm 6

XENON Collaboration

Columbia University Rice University UCLA University of Zürich Coimbra University LNGS & INFN Shanghai Jiao Tong University

MPIK-Heidelberg Bologna University Münster University Subatech Nikhef Weizmann Institute Mainz University Purdue

Patrick Decowski 7

Dual-Phase Xe TPC Top PMT Array 5mm

Gas Xe

Anode ~13kV/cm

Liquid Xe ~1kV/cm

~30cm

Cathode

E

Bottom PMT Array

8

Detection Properties Top PMT Array

Signal: Nuclear recoil

Background: Electron recoil

Bottom PMT Array

9

Discriminating Nuclear from Electron Recoils Using dedicated radioactive source runs

ER vs NR discr. Parameter

BG-like 60Co & 232Th: ɣ-source Signal-like AmBe: neutron source

10



BG-like 60Co & 232Th: ɣ-source

S2

Signal-like AmBe: neutron source

S1

10



BG-like 60Co & 232Th: ɣ-source

S2 S1

Signal-like AmBe: neutron source

Drift time: z-coord

x-y coord 10

Our Luminosity plot Regular calibrations are critical

3rd data release from XENON100 - 225 livedays Patrick Decowski 11

Analysis Steps


All events in 48kg Fiducial Region

Blinded region Recoil Energy

Patrick Decowski 12

Analysis Steps Apply basic noise cuts

Patrick Decowski 12

Analysis Steps Single Scatter Cut: WIMPs don’t multiple-scatter

Patrick Decowski 12

Analysis Steps Set lower E threshold & restrict E range (+ various consistency cuts)

Patrick Decowski 12

Analysis Steps Two analyses: 1. Old-style cut-based analysis as a “Benchmark” 2. Profile Likelihood analysis in wider E range

“Benchmark” region

Profile Likelihood region Patrick Decowski 12

Analysis Steps For benchmark region: require 99.75% ER discrimination

S2>150 Patrick Decowski 12

Analysis Steps Restrict from below to ensure signal is NR-like

Signal must be NR-like Patrick Decowski 12

Expected Background & Efficiencies Profile likelihood uses detailed BG model In Benchmark Region:

Benchmark Region

ER leakage

0.79 ± 0.16 ev

Neutrons (est. from MC)

0.17+0.12-0.07 ev

Total

1.0 ± 0.2 ev

S1 [PE]

Efficiencies:

5

Acceptance

1.0

10

15

20

25

30

S2 threshold before S1 smearing combined data cuts

0.8 0.6

99.75% discrimination

0.4 0.2 0.0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Energy [keVnr] Patrick Decowski 13

Unblinding in Figuera da Foz, Portugal July 8, 2012

Instead of here…

Patrick Decowski 14

Unblinding in Figuera da Foz, Portugal July 8, 2012

Instead of here…

… we were in the hotel - unblinding! Patrick Decowski 14

After Unblinding

2 events in “Benchmark” region Patrick Decowski 15

After Unblinding

2 events in “Benchmark” region Patrick Decowski 15

And after the Event…

Patrick Decowski 16

Limits From XENON100 10-39

WIMP-Nucleon Cross Section [cm2]

DAMA/Na 10-40

CoGeNT DAMA/I

10-41

012) 2 ( E L P M SI CRESST-II (2012)

XENON10 (2011) 10-42 10-43

2)

ZEPL

EDELWEISS (2011/12)

01 2 ( I I I IN-

2011) ( 0 0 1 N XENO

CDMS (2010/11) 10-44 10-45 10-46 10-47

6 7 8 9 10

20

30

40 50 60

100

200

300 400

1000

WIMP Mass [GeV/c2] Adapted from Aprile et al. [XENON100] PRL 109, 181301 (2012). Patrick Decowski 17


XENON100 (2012)


DAMA/Na 10-40

Expected limit of this run: 1 expected 2 expected

CoGeNT DAMA/I

10-41

012) 2 ( E L P M SI CRESST-II (2012)

XENON10 (2011) 10-42 10-43

2)

ZEPL

EDELWEISS (2011/12)

01 2 ( I I I IN-

2011) ( 0 0 1 N XENO

CDMS (2010/11) 10-44

012) 2 ( 0 0 1 N XENO

10-45 10-46 10-47

6 7 8 9 10

20

30

40 50 60

100

200

300 400

1000



XENON100 (2012)


DAMA/Na

observed limit (90% CL) Expected limit of this run: 1 expected 2 expected

-40

10

CoGeNT DAMA/I

10-41

012) 2 ( E L P M SI CRESST-II (2012)

XENON10 (2011) 10-42 10-43

2)

ZEPL

EDELWEISS (2011/12)

01 2 ( I I I IN-

2011) ( 0 0 1 N XENO

CDMS (2010/11) 10-44

012) 2 ( 0 0 1 N XENO

10-45 10-46 10-47

6 7 8 9 10

20

30

40 50 60

100

200

300 400

1000



XENON100 (2012)


DAMA/Na


-40

10

CoGeNT DAMA/I

10-41

012) 2 ( E L P M SI CRESST-II (2012)

XENON10 (2011) 10-42 10-43

2)

ZEPL

EDELWEISS (2011/12)

01 2 ( I I I IN-

2011) ( 0 0 1 N XENO

CDMS (2010/11) 10-44

012) 2 ( 0 0 1 N XENO

10-45 10-46

XENON1T Sensitivity (1 ton x 1 year)

-47

10

6 7 8 9 10

20

30

40 50 60

100

200

300 400

1000


What would supposed signal look like? 10-39

XENON100 (2012)


DAMA/Na


-40

10

CoGeNT DAMA/I -41

10

(2012) SIMPLE CRESST-II (2012)

XENON10 (2011) 10-42

-III (2

10-43

IN ZEPL

EDELWEISS (2011/12)

XENON

CDMS (2010/11)

012)

1) 100 (201

10-44

00 (2012)

XENON1

10-45 10-46 10-47

XENON1T Sensitivity (1 ton x 1 year) 6 7 8 9 10

20

30

40 50 60

200

100

300 400

1000

2

WIMP Mass [GeV/c ]

Illustration only!

CoGeNT-like WIMP σ = 1x10-40 cm2 , mχ = 8 GeV

Illustration only!

CRESST-like WIMP σ = 1.6x10-40 cm2 , mχ = 25 GeV

Patrick Decowski 18

SI Cross section Limits

Patrick Decowski 19

2.5 ton of LXe

XENON1T 20

XENON1T Design Issues

• Background goal < 1ev in 2 years

• Very careful material selection: PMTs, cryostat, etc. • Kr + Rn control 85

222

• Drift electrons through liquid over 1 m: •

Patrick Decowski

• 100 kV feedthrough • ultra pure xenon liquid Lots of R&D!

Columbia Univ 21

Nikhef Participation in XENON

Design of cryostat and vibration-free support structure

Data Acquisition

Xenon WIMP-target

hardware projects - Nikhef engineering support [John, • Several Walet] also software - mainly Monte Carlo [Colijn, Tiseni] and • But GRID [Alfonsi, Keijser]

• In XENON Management

• Collaboration Board [Decowski] • Elected into four-member Editorial Board [Decowski] 22

Nikhef Work Group Leadership Working Groups WP12

WP1

1. Infrastructure

F. Arneodo (LNGS)

2. Muon veto

W. Fulgione (INFN-Torino), S. Fattori (Mainz)

3. Water tank

WP16

H. Landsman (WIS)

4. Detector: TPC, Grids, HV

M. Messina (Columbia), M. Schumann (UZH)

5. PMTs

K.Arisaka (UCLA), T. Marrodan (MPIK)

6. Cryostat & Support Platform) G. Tajiri (Columbia), A. Colijn (Nikhef)

7. Cryogenics

G. Plante, R. Budnik (Columbia)

8. Cryogenic storage vessel L. Scotto Lavina (Subatech)

9. Slow control

J. Cardoso (Coimbra), L. Levenson (WIS)

WP13

10. Material screening and selection A.D. Ferella (LNGS), J.Schreider (MPIK)

11. Distillation column C. Weinheimer (Munster)

12. Xe Purification

E. Brown (Munster), A. Malgarejo (Columbia)

13. Gas purity and analytics H. Simgen (MPKI)

14. Calibration WP15 WP11

WP10

A. Kish (Zurich), R. Lang (Purdue)

15. Monte Carlo simulation

M. Selvi (Bologna), A. Kish (UZH)

16. DAQ and Trigger

M.Schumann (UZH), P.Decowski (Nikhef)

Patrick Decowski 23

Nikhef Work Group Leadership Working Groups WP12

WP1

1. Infrastructure

F. Arneodo (LNGS)

2. Muon veto

W. Fulgione (INFN-Torino), S. Fattori (Mainz)

3. Water tank

WP16

H. Landsman (WIS)

4. Detector: TPC, Grids, HV

M. Messina (Columbia), M. Schumann (UZH)

5. PMTs

K.Arisaka (UCLA), T. Marrodan (MPIK)

6. Cryostat & Support Platform) G. Tajiri (Columbia), A. Colijn (Nikhef)

7. Cryogenics

G. Plante, R. Budnik (Columbia)

8. Cryogenic storage vessel L. Scotto Lavina (Subatech)

9. Slow control

J. Cardoso (Coimbra), L. Levenson (WIS)

WP13

10. Material screening and selection A.D. Ferella (LNGS), J.Schreider (MPIK)

11. Distillation column C. Weinheimer (Munster)

12. Xe Purification

E. Brown (Munster), A. Malgarejo (Columbia)

13. Gas purity and analytics H. Simgen (MPKI)

14. Calibration WP15 WP11

WP10

A. Kish (Zurich), R. Lang (Purdue)

15. Monte Carlo simulation

M. Selvi (Bologna), A. Kish (UZH)

16. DAQ and Trigger

M.Schumann (UZH), P.Decowski (Nikhef)

Patrick Decowski 23

24

XAMS: a xenon test facility

• R&D for liquid xenon detectors • •

Investigation of “Physics of Xenon” Use of GridPix in dark matter experiments

• Building a test facility with the R&D group

Patrick Decowski 25

PTR (cold head)

Gas System

Test chamber (working scientist)

26

Our Current Team

Auke-Pieter Colijn Groupie 1

Patrick Decowski Groupie II

Andrea Tiseni PhD Rolf Schön Dimitri John PhD Instrument Maker

Matteo Alfonsi Postdoc

Patrick Decowski

Rob Walet Engineer 27

Approved FOM “Vrij Programma”

Theory

Experiment

5 PhDs, 3 PsD 2MEu

28

Summary

• XENON100 continues to be world-leading experiment in direct detection DM limits

• This was the “vanilla” analysis, a number of others forthcoming

• XENON1T construction is starting in 2013 - Science in 2015 • XAMS: Nikhef facility for xenon R&D • FOM program will allow us to grow and do the future science! 10-39

XENON100 (2012)


DAMA/Na

Patrick Decowski

10-40

CoGeNT


DAMA/I 10-41

(2 SIMPLE CRESST-II (2012)

XENON10 (2011) 10-42 10-43

012)

ZEPL

EDELWEISS (2011/12)

IN-III

) (2012

1) 100 (201

XENON

CDMS (2010/11) 10-44

00 (2012) XENON1

10-45 10-46 10-47

XENON1T Sensitivity (1 ton x 1 year) 6 7 8 9 10

20

30

40 50 60

100

200

300 400

1000

WIMP Mass [GeV/c2]

29

Labyrint,VPRO, 14 maart 2012

NRC, zaterdag 18 aug 2012 NRC Weekend Zaterdag 18 augustus & Zondag 19 augustus 2012

NRC Weekend Zaterdag 18 augustus & Zondag 19 augustus 2012

20 Wetenschap

21

1

4

2

Postdoc Matteo Alfonsi (4) werkt vanuit Amsterdam mee aan een experiment in het Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Dat lab ligt onder het bergmassief Gran Sasso in de Apennijnen, met toppen tot 2912 meter (de Corno Grande, 1). Daaronder, 1.400 meter onder de rotsen, liggen de drie grote hallen van het LNGS (2) met grote experimenten, zoals hier in hal B (3) de middelste hal. In de stille ondergrondse ruimte wachten ze op uiterst zeldzame deeltjes, zoals donkere-materiedeeltjes uit de kosmos. Ook het kleine Xenon100-experiment doet dat. Het staat in één van de gangen die de hallen verbindt. Een vat met 50 liter xenon (160 kilo) vormt het hart ervan (6). Na 13 maanden onafgebroken meten wordt het nu voor onderhoud gedemonteerd (5). Foto's LNGS /Photononstop (1)/Rien Zilvold (4).

3

5

6

Het geheim van het heelal ligt diep in de berg Fysicus Matteo Alfonsi jaagt in een Italiaanse berg op donkere materie uit het heelal.

Zomerserie: wetenschap in uitvoering

W E T E N S C H A P I N U I TVO E R I N G

Deze zomer kijkt de wetenschapsredactie mee met wetenschappers aan het werk. We beschrijven nu eens niet de resultaten van onderzoek, maar de praktijk: we willen weten hoe wetenschappers hun tijd doorbrengen. We onderzoeken onder meer hoe ze hun onderzoek financieren (en welke hindernissen ze nog meer moeten overwinnen voor ze aan onderzoek toekomen), hoe het reviewproces in de praktijk werkt, hoe vaak ze eigenlijk publiceren en hoe hoog de publicatiedruk in hun vakgebied is.

Margriet van der Heijden

Matteo Alfonsi, fysicus en WIMP-jager Volgens veel fysici is de speurtocht naar de geheimzinnige donkere materie in het heelal de komende tien jaar het spannendste onderwerp uit de fysica en de kosmologie. Reden om een van de donkere-materiejagers te volgen: Matteo Alfonsi, postdoc bij het Nederlands instituut voor deeltjesfysica Nikhef. Alfonsi werkt mee aan het Xenon10 0-experiment. Het is één van de zestien experimenten in de Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), diep onder het gesteente van het Gran-Sassomassief in de Italiaanse Apennijnen. Aan Xenon10 0 werken ongeveer 70 fysici uit de Verenigde Staten, China, Europa en Israël . Hun detector bevat 160 kilo vloeibaar xenon om mogelijk passerende WIMPs in te vangen. WIMPs zijn de (nog) onbekende deeltjes die wellicht de bouwstenen zijn van de donkere materie in de kosmos. De dikke laag (1.40 0 meter) gesteente boven het ondergrondse lab dient daarbij ter afscherming. De rotsen vangen de storende signalen weg die anders het zeldzame signaal van een WIMP zouden verhullen. Zulke stoorsignalen ontstaan natuurlijkerwijze bij botsingen van kosmische deeltjes op de atmosfeer en bij verval van radioactieve kernen in de lucht (zoals krypton en radon), in metalen (uraniumsporen) of mensen (kalium). Ter vergelijk: een banaan zorgt voor 15 radioactieve vervallen per seconde, maar Xenon10 0 is zo extreem goed afgeschermd dat die detector slechts één keer per jaar (!) door een achtergronddeeltje uit radioactief verval wordt getroffen. In de beoogde opvolger van Xenon100, Xenon1T, moet dat straks zelfs maar één keer per jaar per ton xenon zijn. De beoogde plek van Xenon1T, met dus een ton xenon, is in het LNGS al op de vloer afgebakend.

G

ran Sasso, 24 juni. Vanaf Rome is het krap twee uur rijden. Bijna in rechte lijn, over de A24 naar het noordoosten. Steeds meer gele brem en kale rotsen. Dorpen als kraaiennesten daarboven. En dan het massief met de hoogste toppen van de Apennijnen, Gran Sasso, de ‘Grote Steen’. Fysicus Matteo Alfonsi zag die bergtoppen twee jaar geleden pas voor het eerst. Hij is geboren en getogen in Ostia, aan de kust bij Rome. “Maar ’s zomers gingen we naar het strand en ‘s winters skieden we in een lager deel van de Apennijnen.” Nu zit Alfonsi op de westelijke hellingen van de Gran Sasso bij het zwembad voor zijn ‘vaste hotel’. Het is bijna dertig graden. Beneden ligt het dorp Assergi, de huizen dicht tegen elkaar aangekropen. Daarachter strekt de vallei zich nevelig uit naar het stadje l’Aquila. Bovenop het bergmassief is Alfonsi nog steeds niet geweest. Als hij hier is – de afgelopen twee jaar bij elkaar enkele weken – zit hij in de kantoren van het Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) die iets lager tegen de helling liggen. En soms zelfs onder de ‘Grote Steen’. Letterlijk, want het laboratorium zelf is diep in het massief uitgehakt. Onder 1.400 meter rots staat daar het internationale Xenon100-experiment waaraan Alfonsi meewerkt – als postdoc van het Nederlands instituut voor deeltjesfysica Nikhef in Amsterdam. “Neem een vest mee als we straks gaan kijken”, zegt hij, “want ondergronds is het koud en nat.” Het Xenon100-experiment zoekt naar WIMPs. Gisteravond bij het zwembad had

Alfonsi daarover al verteld. WIMPs staat voor ‘weakly interacting massive particles’, en wat dat precies zijn, weet niemand. Slechts dit staat vast: WIMPs zijn kandidaten voor de geheimzinnige ‘donkere materie’ in het heelal. Dát deze tot dusver geheel onzichtbare materie in het heelal aanwezig moet zijn, leiden wetenschappers af uit indirecte waarnemingen. Zo stelde de befaamde Nederlandse astronoom Jan Oort al in 1932 vast dat de buitenste sterren van het Melkwegstelsel sneller bewegen dan je op grond van de zwaartekracht van het Melkwegstelsel zou verwachten. Alsof er een geheimzinnige substantie aan ze trekt. Latere waarnemingen bevestigden tot op de grootste schalen van het heelal: naast de materie die wij ‘zien’ – sterren en planeten – lijkt er ook andere, onzichtbare materie te bestaan. Sterker: die donkere materie zou zelfs 83 procent van alle materie in de kosmos uitmaken. En het ligt voor de hand te veronderstellen dat die donkere materie, net als zichtbare materie, uit minuscule bouwsteentjes bestaat. Hoe zien die eruit? Twee dingen zijn duidelijk. Ze verraden hun bestaan kennelijk niet door met ‘gewone’ materie in wisselwerking te treden op de gebruikelijke manieren: via magnetisme, elektrische aantrekkingskracht of kernkrachten. En: ze hebben een klein beetje massa – anders

1.400 meter rots houdt vrijwel alle ruis tegen

zou de donkere materie geen zwaartekracht kunnen uitoefenen. Kortom, de deeltjes zijn ‘weakly interacting’ en (een klein beetje) ‘massive’: WIMPs dus. Het idee is verder dat ze als een wolk om, en een beetje in het melkwegstelsel hangen. De aarde, die met de zon rond het hart van het melkwegstelsel draait, zou er met een vaartje van 220 kilometer per seconde doorheen zeilen. Maar ja, hoe toon je dat aan? Vanmiddag gaat Alfonsi me dat laten zien. In zijn zwarte Panda schieten we de A24 op, richting Adriatische kust en dan de 11 kilometer lange tunnel in die onder de Gran Sasso doorvoert. Aan het einde ervan nemen we een afslag – uitsluitend voor LNGS-medewerkers – die meteen weer terug de tunnel invoert, richting Rome. Na vier kilometer komen we zo bij het lab dat de Italiaanse regering in de jaren 80 – “met toekomstvisie”, zegt Alfonsi – samen met de verkeerstunnel liet aanleggen. Twee sets van vijf meter hoge, stalen toegangsdeuren vouwen open, bewakers in een kil verlicht hokje bladeren door onze papieren, en dan komen we in een lange gang waar water langs bemoste rotsen druppelt. Het lijkt wel de set van een Bondfilm. Wauw. En dit is pas het begin. Met gele bouwvakkershelmen op lopen we even later door gangen die zo hoog en breed zijn dat trucks er met gemak doorheen kunnen rijden. En met de kou in onze kleren bezichtigen we de experimenten die in drie reusachtige, koele, ondergrondse hallen staan. Sommige bestaan uit enorme tanks gevuld met vloeistof, andere bevatten duizenden gestapelde loodblokken of houden torens van kristallen in hun hart verborgen. Allemaal hebben ze één ding gemeen: ze wachten op onalledaagse, ongrijpbare deeltjes, zoals dus WIMPs. Juist daarom staan ze ook in het hart van de berg. Want zoals je de zachte zang van een goudhaan niet opmerkt in een kakofonie van stadsgeluid en merelgezang, zo blijven zeldzame deeltjes onzichtbaar in een meetappa-

raat waarin overbekende deeltjes alsmaar sporen trekken. Denk alleen al aan de talloze muonen die op aarde uitregenen als hoogenergetische deeltjes uit de kosmos (protonen) op de atmosfeer inslaan. Die blijven in de boven ons liggende rotsen van Gran Sasso vrijwel allemaal steken. Het is dus ‘stil’ in dit lab; stiller dan op vrijwel elke andere plek op aarde.

óf dat er een WIMP aan ten grondslag lag. Het geldt telkens: storende achtergrondsignalen moeten worden ingeperkt. Daarom wordt ook de afgeschermde ruimte rond het xenonvat voortdurend doorgespoeld met stikstof. Die verdringt de gewone lucht met dat radioactieve radongas, met radioactief krypton uit bovengrondse atoomproeven en nog zo wat.

Gran Sasso, 26 juni. “Vind je het goed als ik nog wat gegevens naloop?”, vraagt Alfonsi. We zitten weer ondergronds, in de portakabin die in een stille gang in een nis onder de rotsen staat. Op een plank registreert een teller de concentratie van het radioactieve radongas dat, zoals overal op aarde, uit de rotsen ontsnapt. Op tafel slingeren plastic handschoenen, schroevendraaiers, kabels en papieren. Er staan twee afgetrapte kantoorstoelen en achter een dun wandje staat, ook in de portakabin, het Xenon100-experiment. Vergeleken bij de meetopstellingen in de grote hallen is Xenon100 teleurstellend klein. In het hart ervan, dat naar WIMPs ‘luistert’, zit maar 50 liter xenon (160 kilo) – in een vat dat zo op een tafel past. Maar verder heb ik geluk, begrijp ik, want na 13 maanden zijn de metingen voorbij en is de meetopstelling tijdelijk ontmanteld. De afgelopen dagen heeft Alfonsi met collega’s aan onderdelen gesleuteld. Nu kunnen we alle apparatuur rustig van dichtbij bekijken. De glimmende cryostaat bijvoorbeeld die het xenongas vloeibaar maakt door het te koelen tot -100 graad Celsius. Hij is gemaakt van staal waarvan de (natuurlijke) radioactiviteit nauwkeurig bekend is. Alfonsi: “We weten niet alleen in welke mijn het metaalerts is gedolven, maar ook in wat voor kuip het daarna gesmolten is, welk metaal er vlak daarvoor in diezelfde kuip gesmolten was enzovoorts.” Alleen zo kunnen de fysici tijdens de analyse achterhalen hoe meetsignalen ontstonden. Beter: of ze veroorzaakt zijn door achtergronddeeltjes (zoals radon uit de rots of radioactieve kernen in de meetapparaten)

Waarom juist xenon? Als WIMPs weigeren om op gewone materie te reageren, dan hebben fysici maar één hoop, legt Alfonsi uit: dat nu en dan een WIMP toevallig tegen een atoomkern kaatst en die kern een tik geeft. Net als in gewoon biljart heeft dat het meeste effect wanneer de twee deeltjes ruwweg even zwaar zijn. Een licht balletje (of deeltje) krijgt een zware bal nu eenmaal niet makkelijk in beweging. Alfonsi: “Dus: ons apparaat is gevoelig voor WIMPs met ongeveer de massa van een xenonatoomkern, en dat is in lijn met bepaalde voorspellingen.” Wat gebeurt er met aangetikte xenonkernen? Ze raken hun overtollige energie kwijt door botsingen met buuratomen. Dat geeft een sneeuwbaleffect want ook die buuratomen krijgen zo extra energie – die ze weer moeten kwijtraken. Dat doen ze door uv-licht uit te zenden (scintillatie). Maar het kan ook dat ze in de botsing een elektron zijn kwijtgeraakt (ionisatie). Als die elektronen en achtergebleven ionen (atoomkernen minus een elektron) elkaar hervinden, leidt ook dat tot het uitzenden van uv-licht dat met elektronische ‘ogen’ rondom het vat wordt opgepikt. Bevlogen vertelt Alfonsi, die houdt van het sleutelen aan meetinstrumenten, met hoeveel finesse deze directe en indirecte uv-signalen in Xenon100 van elkaar worden onderscheiden. Zo stellen de fysici niet alleen de oorsprong van het signaal in het vat vast, maar bepalen ze ook de verhouding tussen scintillatie en ionisatie. Belangrijk, want die verhouding is voor WIMPs karakteristiek. Alfonsi: “De verhouding is daarmee het selectiecriterium om later in de analyse de WIMPs te onder-

scheiden van toevallig passerende achtergronddeeltjes, die via andere processen óók voor scintillatie zorgen, voor ionisatie, of beiden.” Hij wijst op een kabel die door een gat in de afscherming tot vlakbij het vat kan worden gebracht. Dienstdoende fysici haken er drie avonden per week een radioactief bronnetje aan dat daarna enkele uren of een nacht bij het vat hangt: cesium, kobalt of thorium. De bronnetjes geven in het xenon dezelfde signalen als deeltjes uit de kosmos en natuurlijke radioactiviteit uit de omgeving. Zo controleren de fysici elke week hoe hun meetopstelling op zulke achtergronddeeltjes reageert – informatie die later in de analyse cruciaal is. Hoog boven de hightech knipoogt intussen een éénogig porseleinen wenspoppetje van Alfonsi’s Chinese collega’s. Zij hebben in gedachten een wens gedaan en als die uitkomt, geven ze het poppetje zijn tweede oog, legt hij uit. “Wel mooi, zelfs al geloof je er niet in. Het toont de menselijke kant van het werk en in een menselijke omgeving werk je beter, denk ik.” Boven Assergi zindert de zon. In het kale aircoloze kantoor zitten naast Alfonsi nog een Israëlische en een Amerikaanse postdoc. De luxaflexen zijn potdicht. Morgenmiddag is de wekelijkse vergadering over de voortgang van de data-analyse, via skypeverbindingen met Europa, China en de VS. Er wordt vaart achter die analyse gezet, begrijp ik. Alfonsi: “Maar als je me vraagt: wat wordt de uitkomst? Dan kan ik het niet zeggen. Echt niet, want we hebben de data geblindeerd.” Eerst proberen de fysici te doorgronden welke signalen de verschillende soorten achtergronddeeltjes in de detector geven. Dan maken ze harde afspraken over de

Wie een WIMP ontdekt, wint een Nobelprijs

manier waarop ze die achtergronddeeltjes wegsnijden. En pas dan, als al die afspraken zijn dichtgespijkerd, wordt de blindering opgeheven en gaat de hele set meetgegevens door de molen. Alfonsi: “Zo voorkom je dat je de data onbewust naar een gunstige uitkomst masseert.” Hij loopt naar de naastgelegen, duistere ruimte. Daar zit de Amerikaanse onderzoeker die de analyse van de meetgegevens leidt. Hij kijkt op: “Heb je morgenmiddag resultaten?”, vraagt hij Alfonsi. Die aarzelt. Er zijn nog softwareproblemen: “Ik probeer het morgenochtend rond te krijgen.” Maar de analyseleider heeft zijn conclusie al getrokken: “Ik interpreteer dat als ‘nee’.” Het schemert buiten. “Vergeleken met eerdere experimenten waar ik aan meewerkte is de sfeer in Gran Sasso competitiever”, zegt Alfonsi. We eten ravioli met bloemen van courgetteplanten, en natuurlijk met pecorino. Misschien wel van de schapen (pecori) die ik op de hoogvlaktes tussen de toppen van de Gran Sasso zag grazen, toen ik gisteren omhoog ging in plaats van, zoals Alfonsi, naar beneden. Of die rivaliteit goed of slecht is? Alfonsi: “Daar heb ik geen oordeel over. Misschien heb ik dat later. Je wordt er in elk geval gedreven van.” De competitie is niet vreemd. Wie een WIMP vindt, helpt een groot kosmisch raadsel op te lossen – en wint een Nobelprijs. En wie, véél lastiger, aantoont dat zulke deeltjes niet bestaan, maakt duidelijk dat we kennelijk de zwaartekracht niet in de vingers hebben. 18 juli, Amsterdam. Er is een artikel naar Physical Review Letters onderweg. Nee, geen WIMPs. Wel geven de fysici van Xenon100 ongekend nauwkeurig aan waar je WIMPs niet meer hoeft te zoeken. “Alsof je sleutels kwijt bent en nu zeker weet dat ze niet in de slaap- of badkamer liggen”, zegt Patrick Decowski die in Amsterdam Alfonsi’s baas is. Een mooi resultaat, maar het Chinese popje blijft nog even éénogig.

30

The Nikhef Dark Matter Program

Recommend Documents