Donkere energie beproeven op het tafelblad

Natuurkundigen weten dat het heelal versneld uitdijt, maar het is onbekend wat de drijvende kracht achter deze versnelling is. Hoewel niemand weet wat er aan de kracht ten grondslag ligt, hebben fysici het wel alvast een naam gegeven: donkere energie. Uit berekeningen blijkt dat zo’n zeventig procent van de totale massa in het universum is toe te schrijven aan deze mysterieuze energie, die we niet direct kunnen waarnemen of meten.

Een intrigerende eigenschap van donkere energie is dat het in de uitgestrekte, lege delen van ons universum tot gigantische krachten leidt, zodat het de ruimte zelf uiteen duwt, terwijl het geen meetbare gevolgen lijkt te hebben op de schaal van planeten of zelfs het zonnestelsel. Deze veranderlijke eigenschap van donkere energie leidde in 2004 tot het zogenaamde ‘kameleon-model’, opgesteld door de theoretici Justin Khoury en Amanda Weltman. Zij suggereerden dat donkere energie het resultaat is van een deeltje dat in het vacuüm een sterke interactie aangaat, terwijl dat effect in gebieden met een grotere ‘dichtheid’ (zoals de aarde of het melkwegstelsel) wordt afgeschermd. 

Er zijn verschillende experimenten geweest die het kameleon-model op de proef wilden stellen, maar geen van allen is tot nog toe succesvol geweest. Zij bereikten niet de grote gevoeligheid die een apparaat nodig heeft om de theorie echt te kunnen weerleggen of bevestigen.

Een nieuwe benadering – Cannex

In 2010 werkten de onderzoekers samen met internationale collega’s om een methode te verzinnen die wel kameleon-interacties kan meten. Zij bedachten een setup met twee parallelle platen. Als de dichtheid van het medium tussen deze platen verandert, zou er logischerwijs ook een verandering zijn in de sterkte van de kameleon-interacties. Dat zou dus tot een verschil leiden in de totale kracht tussen de platen, die de onderzoekers kunnen meten.

De onderzoekers moesten verschillende technische obstakels overwinnen, maar het is ze nu gelukt de setup te bouwen. Het apparaat heeft de naam ‘Casimir and non-Newtonian force experiment’ gekregen: kortweg ‘Cannex’. Uit een recente eerste test van de krachtsensor blijkt dat de detector inderdaad gevoelig genoeg zal zijn om kameleon-interacties te meten. Oftewel, Cannex zal binnenkort het bestaan van kameleon-interacties bewijzen of weerleggen, en zo helpen de donkere energie-puzzel op te lossen.

Seismometer

Cannex is echter niet alleen een nuttig apparaat voor de fundamentele fysica. Het is ook een goed voorbeeld van hoe technologische ontwikkelingen kunnen leiden tot valorisatiemogelijkheden. De krachtsensor is erg gevoelig voor trillingen. De onderzoekers maakten van deze nood een deugd, door met deze kennis een extreem gevoelige seismometer te maken. FOM steunt deze onderneming met een valorisatiebeurs. Inmiddels heeft het werk geleid tot een patentaanvraag en zit het project in zijn laatste prototype-fase.

Force sensor for chameleon and Casimir force experiments with parallel-plate configuration, Phys. Rev. D 91, 102002, 7 mei 2015.