Afgaande op het heelal dat we door onze telescopen zien, moeten we concluderen dat we niet begrijpen hoe de zwaartekracht buiten ons zonnestelsel werkt. Sterren bewegen sneller dan zou moeten rond hun sterrenstelsels; sterrenstelsels bewegen zo snel binnen hun clusters dat ze zouden moeten ontsnappen naar de intergalactische ruimte; lichtstralen die door regio’s met een hoge dichtheid van sterrenstelsels gaan, buigen meer af dan de algemene relativiteit voorspelt.

We schijnen de geschiedenis van het heelal niet beter te begrijpen: na de eerste momenten is er blijkbaar veel meer primordiaal deuterium en minder helium-4 dan we zouden moeten verwachten, gezien de hoeveelheid materie die we waarnemen; de temperatuurschommelingen van de kosmische microgolf-achtergrond, gevormd op het moment dat de atomen voor het eerst verschenen, vertonen materie-overdichtheden die onvoldoende zijn om de sterrenstelsels te produceren die we nu waarnemen. Bovendien kunnen de grootschalige structuren die wij kunnen zien, waaronder filamenten gevormd door miljoenen sterrenstelsels en grote leegtes, niet worden gereproduceerd in onze computersimulaties, uitgaande van de hoeveelheid baryonische materie (d.w.z. protonen en neutronen) die in het oerheelal is waargenomen. En om het karwei af te maken, kunnen we zelfs geen wijs worden uit de opeenvolging van structuurvorming: de volgorde die wij voorspellen (eerst sterren, dan sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels, superclusters, en tenslotte filamenten) kan niet worden gereproduceerd aan de hand van de kosmische microgolf-achtergrond.

Zoals we net zeiden: we begrijpen er niets van.

Of…

Of we nemen aan dat er naast de baryonische materie nog een ander soort materie bestaat, een soort materie die nauwelijks interageert met baryonen of met licht. Deze hypothetische stof werd donkere materie genoemd… 84 jaar geleden al! Donkere materie werkt als een wondermiddel: het herstelt in wezen alles, of bijna alles… maar ten koste van de acceptatie dat het enige bewijs dat we hebben van zijn bestaan de gravitatie-effecten zijn die we zojuist hebben beschreven.

Het is dus normaal dat de gemeenschap nogal verwoed probeert te begrijpen wat donkere materie is. Een van de meest aanvaarde hypotheses is dat zij zou kunnen bestaan uit nieuwe elementaire deeltjes die nog moeten worden ontdekt; onder hen hebben WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) grote steun in de gemeenschap. Een manier om deze WIMPs te vinden is te proberen ze te produceren in de botsingen binnen de deeltjesversnellers. Wij proberen ook de WIMP’s in onze omgeving te detecteren door hun zeer zeldzame interacties met gewone materie vast te stellen, een methode die “directe detectie” wordt genoemd. Tenslotte zoeken we ook naar de effecten die ze zouden moeten produceren wanneer ze zich ophopen in grote astrofysische objecten; in die omgevingen is de dichtheid van donkere materie voldoende om de deeltjes te laten annihileren, en zouden ze deeltjes moeten produceren die we inderdaad kunnen detecteren.

Een groep IFIC-onderzoekers gebruikt deze laatste methode om te zoeken naar donkere materie in de gegevens van de ANTARES-neutrino-telescoop. In een recent artikel, gepubliceerd in het tijdschrift Physics Letters B, hebben wetenschappers van de ANTARES/KM3NeT-groep van het IFIC gezocht naar neutrino’s met hoge energie die uit het centrum van de Melkweg komen… en zij hebben geen signaal gevonden. Dit heeft hen in staat gesteld om zeer strikte limieten op te leggen aan WIMP annihilatie in het centrum van de Melkweg. Het feit dat ANTARES zich op het noordelijk halfrond van de aarde bevindt, en dus optimaal het hemelse zuidelijk halfrond kan waarnemen, waar het Galactisch centrum zich bevindt, maakt zijn resultaten zeer concurrerend, zelfs beter dan die van zijn veel grotere partner, de IceCube-neutrino-telescoop, die op de Zuidpool opereert, en zelfs beter – in het regime van zeer zware WIMP’s – dan de state-of-the-art grenzen die door gammastralingsdetectoren zijn gesteld.

Dit werk, samen met een soortgelijke zoektocht in de Zon, was het hoofdonderwerp van het doctoraal werk van Christoph Tönnis, een PhD onderzoeker van het Santiago Grisolia Programma van de Conselleria d’Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana, die werd begeleid door de IFIC onderzoekers Juan José Hernández Rey en Juan de Dios Zornoza Gómez.