Het donkere foton: een hypothetische brug tussen licht en donkere materie

Bijgewerkt: 15 augustus 2026 · 5 min leestijd

Stel je voor dat er naast het gewone licht dat we kennen — fotonen, de deeltjes waaruit elektromagnetische straling bestaat — nog een tweede, onzichtbaar soort "licht" bestaat. Dat licht zou niet reageren op onze ogen, camera's of radioantennes, omdat het bijna niet met gewone materie in aanraking komt. Het deeltje dat dit onzichtbare licht zou dragen, noemen natuurkundigen het donkere foton (dark photon). Het is een van de kandidaten die zouden kunnen verklaren waaruit donkere materie bestaat, de mysterieuze stof die samen met donkere energie het grootste deel van het heelal vormt maar nooit rechtstreeks is waargenomen.

Een bruikbare analogie: denk aan twee radiozenders die vlak naast elkaar op de frequentieband zitten. De ene zender is loeihard en overal te ontvangen — dat is het gewone elektromagnetisme, met het bekende foton als boodschapper. De andere zender staat er vlak naast, zendt razend zwak uit, en lekt slechts af en toe een beetje signaal door naar het eerste kanaal. Dat zwakke, bijna onhoorbare kanaal zou het domein van het donkere foton kunnen zijn: een eigen "donkere" kracht, met een eigen krachtdrager, die nauwelijks met onze wereld communiceert.

Wat is het precies?

In de deeltjesfysica wordt elke fundamentele kracht overgebracht door een krachtdragend deeltje. De elektromagnetische kracht heeft het foton, de zwakke kernkracht heeft de W- en Z-bosonen. Natuurkundigen vroegen zich in de jaren tachtig af: als er een verborgen sector van deeltjes bestaat die we nog niet kennen, zou die dan ook een eigen kracht en een eigen krachtdrager kunnen hebben?

De Canadese natuurkundige Bob Holdom werkte dit idee in 1986 wiskundig uit. Hij liet zien dat twee onafhankelijke "foton-achtige" krachten in de natuurkunde met elkaar kunnen "mengen" via een mechanisme dat kinetische menging heet. Simpel gezegd: het donkere foton zou van zichzelf volledig onzichtbaar zijn voor gewone materie, maar door dit mengeffect krijgt het toch een piepklein beetje lading ten opzichte van elektronen en andere geladen deeltjes. Hoe groot dat beetje is, wordt uitgedrukt in een getal dat natuurkundigen epsilon (ε) noemen — en dat getal is volgens de theorie extreem klein, mogelijk een miljoenste tot een miljardste van de normale elektromagnetische lading.

Verder is onbekend hoe zwaar een donker foton zou zijn: modellen laten massa's toe van bijna nul tot enkele honderden keren de massa van een proton. Afhankelijk van die massa zou het deeltje op verschillende manieren vervallen: naar een elektron en een positron (zijn antideeltje), naar zwaardere deeltjesparen zoals muonen, of — als het zwaar genoeg is — naar donkere-materiedeeltjes zelf, die dan onzichtbaar wegvliegen uit een detector.

Wat wil men ermee bereiken?

Het achterliggende probleem is groot: uit metingen van sterrenstelsels, de kosmische achtergrondstraling en de manier waarop het heelal is opgebouwd, weten astronomen dat zo'n 85 procent van alle massa in het heelal uit iets bestaat dat niet met licht wisselwerkt. We noemen dat donkere materie, maar wát het precies is, weet niemand.

Decennialang was de favoriete kandidaat het WIMP (weakly interacting massive particle): een zwaar deeltje dat via de zwakke kernkracht met gewone materie zou wisselwerken. Grote ondergrondse detectoren hebben daar intensief naar gezocht, tot nu toe zonder resultaat. Dat heeft de aandacht verlegd naar alternatieve ideeën, waaronder lichtere donkere-materiedeeltjes die niet via de bekende krachten, maar via een geheel eigen, nieuwe kracht met elkaar en misschien heel zwak met ons wisselwerken. Het donkere foton is in dat scenario de "boodschapper" die deze twee werelden — de zichtbare en de donkere — met elkaar verbindt.

Een belangrijke impuls kwam in 2008, toen satellieten als PAMELA en Fermi een overschot aan positronen (antimaterie-elektronen) uit de ruimte maten. Theoretici als Nima Arkani-Hamed, Douglas Finkbeiner, Tracy Slatyer en Neal Weiner opperden dat een lichte, nieuwe krachtdrager dit overschot kon verklaren. Dat idee bleek achteraf waarschijnlijk niet de juiste verklaring voor die specifieke meting, maar het zette wel een golf van onderzoek naar donkere fotonen in gang die tot op de dag van vandaag doorloopt.

Voorbeelden uit de praktijk

Omdat een donker foton nooit rechtstreeks is waargenomen, bestaat "de praktijk" vooral uit zoektochten die het bestaan ervan proberen te bevestigen of uit te sluiten.

BaBar (SLAC, Verenigde Staten, 2014): deze detector, oorspronkelijk gebouwd om andere deeltjesfysica te bestuderen, doorzocht botsingsdata op tekenen van een donker foton dat vervalt naar een elektron-positronpaar. Er werd niets gevonden, maar wel werden voor het eerst grote delen van het mogelijke massagebied uitgesloten.
NA64 (CERN, sinds 2016): een zogeheten fixed-target experiment, waarbij een bundel elektronen op een vast blok materiaal wordt geschoten. Onderzoekers meten hoeveel energie er "verdwijnt" — een teken dat er mogelijk een onzichtbaar donker foton is weggevlogen.
Belle II (KEK, Japan): deze detector zoekt onder meer naar het zogenoemde "onzichtbare" verval van het donkere foton, waarbij het direct wegvalt naar donkere-materiedeeltjes zonder gewone deeltjessporen achter te laten.
HPS – Heavy Photon Search (Jefferson Lab, Verenigde Staten, eerste fysica-run in 2019): een compacte, speciaal voor deze zoektocht gebouwde detector die met hoge precisie elektron-positronparen uit een vaste doelplaat bestudeert.
FASER (CERN, LHC, sinds 2022): een kleine detector die ver van het hoofdbotsingspunt van de Large Hadron Collider staat, om deeltjes op te vangen die heel zwak wisselwerken en daardoor een lange weg kunnen afleggen voordat ze vervallen — precies het gedrag dat van een licht donker foton wordt verwacht.

Hoe ver is de techniek?

Het is belangrijk om de verwachtingen scherp te houden: dit is fundamenteel onderzoek, geen technologie die op de markt komt. Tot nu toe heeft geen enkel experiment een donker foton daadwerkelijk aangetoond. Wat de experimenten wél hebben bereikt, is het stap voor stap wegstrepen van mogelijke combinaties van massa en koppelingssterkte (epsilon) waarin het deeltje zich zou kunnen verschuilen.

Een concreet voorbeeld van zo'n uitsluiting: het idee dat een donker foton de kleine afwijking kon verklaren die is gemeten in het magnetische moment van het muon (de zogeheten muon g-2 anomalie), is voor het grootste deel van het laag-massagebied al rond 2018-2019 uitgesloten door metingen van onder meer NA64. Dat is typerend voor het veld: veelbelovende hypotheses worden telkens ingeperkt zodra er nauwkeuriger gemeten wordt, zonder dat het onderliggende idee van een verborgen krachtsector helemaal wordt afgeschreven.

Het obstakel is fundamenteel: als de koppeling van het donkere foton met gewone materie werkelijk zo zwak is als sommige modellen voorspellen, zijn extreem gevoelige en langdurige metingen nodig om er ooit een spoor van te vinden — en zelfs dan blijft het mogelijk dat het deeltje simpelweg niet bestaat. Tot 2024-2025 blijven grote delen van het theoretisch denkbare gebied nog open, en dat gebied wordt jaar na jaar kleiner naarmate detectoren gevoeliger worden.

Wie werken eraan?

Het onderzoek is sterk internationaal en geconcentreerd rond een aantal grote deeltjesversnellerfaciliteiten. Het CERN in Zwitserland/Frankrijk speelt een centrale rol, met experimenten als NA64, LHCb en FASER die allemaal (mede) op zoek zijn naar donkere fotonen. In de Verenigde Staten draagt het Jefferson Lab bij met de HPS-detector, gefinancierd door het Amerikaanse ministerie van Energie, en heeft het Fermilab met zijn muon g-2-experiment indirect relevante metingen geleverd. In Japan onderzoekt het KEK-laboratorium via de Belle II-detector dezelfde vraag. Daarnaast zijn tientallen universitaire onderzoeksgroepen wereldwijd, van theoretische natuurkundigen tot experimentatoren, betrokken bij het verfijnen van de modellen en het analyseren van de data.