De overvloedig in het heelal aanwezige donkere materie is onzichtbaar en grotendeels verantwoordelijk voor de zwaartekracht die het melkwegstelsel bijeen houdt. Volgens de nieuwste theoretische modellen vindt er interactie plaats tussen de hypothetische donkere materiedeeltjes en atoomkernen. Tot op heden zijn dergelijke interacties echter nog niet waargenomen. De wetenschappers van de XENON collaboratie, waar de UvA en Nikhef in participeren, hebben nieuwe analysetechnieken ontwikkeld waarmee voor het eerst in de data van de XENON100 detector gezocht kan worden naar interacties tussen donkere materie en elektronen uit de atoomschil. Uit de analyse kwam geen signaal boven de erg lage achtergrondruis uit, waarmee de eigenschappen van donkere materie verder beperkt worden.

Claim

Deze uitkomst is met name van belang met betrekking tot de resultaten van het rivaliserende DAMA/LIBRA experiment, dat claimt een significant signaal van donkere materie waargenomen te hebben. DAMA/LIBRA kan geen onderscheid maken tussen interacties van donkere materie met elektronen of met atoomkernen. Zoektochten van andere onderzoekers naar interacties met atoomkernen hebben niets opgeleverd. Veel theoretische modellen, die de waargenomen discrepantie proberen te verklaren door aan te nemen dat donkere materiedeeltjes uitsluitend wisselwerken met elektronen, worden nu door de nieuwste bevindingen van XENON verworpen. Daardoor zullen de nieuwe resultaten in Science de controverse rondom alternatieve verklaringen voor het DAMA/LIBRA signaal nieuw leven inblazen.

Experiment

UvA en Nikhef maken samen met 17 andere instellingen deel uit van de XENON collaboratie. Momenteel is het consortium bezig met het afronden van het XENON1T experiment, een opstelling die twintig keer zo groot is als  XENON100. Wanneer het experiment later dit jaar data gaat verzamelen wordt het de gevoeligste detector voor donkere materie ter wereld. Om nog verder onderzoek te kunnen doen en donkere materiedeeltjes volledig te kunnen karakteriseren is de collaboratie bezig met het ontwerp van de nog grotere XENONnT opstelling, die in 2019 operationeel moet worden. Alle XENON experimenten vinden plaats in het ondergrondse laboratorium van Gran Sasso in Italië.

Vanuit de UvA zijn Auke-Pieter Colijn, Patrick Decowski en Frank Linde nauw bij de XENON collaboratie betrokken.

Publicatie

Exclusion of leptophilic dark matter models using XENON100 electronic recoil data, Science 349 (6250): 851-854, 2015.