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In nuovi studi ricercatori esplorano nuovi modi per cercare la materia oscura
Per decenni, astronomi e fisici hanno cercato di risolvere uno dei misteri più profondi del cosmo: si stima che manchi l’85% della sua massa. Numerose osservazioni astronomiche indicano che la massa visibile nell’universo non è abbastanza per tenere insieme le galassie e spiegare come la materia si aggrega. Una specie di particella subatomica invisibile e sconosciuta, soprannominata materia oscura, deve fornire la colla gravitazionale extra.
Nei laboratori sotterranei e negli acceleratori di particelle , gli scienziati hanno cercato questa materia oscura senza successo per più di 30 anni. I ricercatori del NIST stanno ora esplorando nuovi modi per cercare le particelle invisibili. In uno studio, un prototipo per un esperimento molto più ampio, i ricercatori hanno utilizzato rivelatori superconduttori all’avanguardia per cercare la materia oscura.
Lo studio ha già posto nuovi limiti alla possibile massa di un tipo di materia oscura ipotizzata. Un altro team del NIST ha proposto che gli elettroni intrappolati, comunemente usati per misurare le proprietà delle particelle ordinarie, potrebbero anche servire come rivelatori altamente sensibili di ipotetiche particelle di materia oscura se portano carica.
Nello studio del rivelatore superconduttore, gli scienziati del NIST Jeff Chiles e Sae Woo Nam e i loro collaboratori hanno utilizzato nanofili superconduttori di siliciuro di tungsteno larghi solo un millesimo di un capello umano come rivelatori di materia oscura.
“Superconduttore” si riferisce a una proprietà che alcuni materiali, come il siliciuro di tungsteno, hanno a temperature ultrabasse: resistenza zero al flusso di corrente elettrica. I sistemi di tali fili, formalmente noti come rivelatori a fotone singolo a nanofili superconduttori (SNSPD), sono squisitamente sensibili a quantità estremamente piccole di energia impartite dai fotoni (particelle di luce) e forse particelle di materia oscura quando entrano in collisione con i rivelatori.
Animazione dell’intrappolamento di elettroni come modo per rilevare particelle di materia oscura. Credito: S. Kelley/NIST
I ricercatori utilizzano gli SNSPD a una temperatura appena al di sotto della soglia richiesta affinché i nanofili diventino superconduttori. In questo modo, anche una piccola quantità di energia depositata da una particella in arrivo produrrà abbastanza calore da sviluppare resistenza elettrica nel filo.
Con il flusso di corrente attraverso il nanofilo ora ostruito, la corrente viaggia lungo un secondo percorso collegato a un amplificatore elettrico. La corrente genera una tensione breve ma misurabile, un segnale che una parte del nanofilo si è riscaldata interagendo con un fotone o, forse, una particella di materia oscura.
L’esperimento SNSPD consisteva in una piccola matrice quadrata di nanofili, ciascuno di 140 nanometri (nm, o miliardesimi di metro) di diametro e distanziati di 200 nm, confinati all’interno di una scatola a tenuta di luce. I ricercatori hanno aggiunto una pila di due tipi di materiali isolanti, progettati per rendere più probabile che il sistema possa cercare un tipo di ipotetica particella di materia oscura nota come fotone oscuro.
Secondo le previsioni teoriche, è probabile che un fotone oscuro che collida con la pila si annichilisca e generi al suo posto un normale fotone infrarosso. Una lente focalizzerebbe quindi il fotone sul circuito SNSPD, dove potrebbe interagire con i nanofili ed essere rilevato come segnale di tensione.
Il piccolo esperimento, durato 180 ore, non ha trovato prove di fotoni oscuri nell’intervallo di massa ridotta da 0,7 a 0,8 elettronvolt /c 2 (eV/c 2) , meno di mezzo milionesimo della massa dell’elettrone, il più leggero particella stabile nota. (Poiché le masse delle particelle subatomiche sono troppo piccole per essere opportunamente espresse in termini di una frazione di chilogrammo, i fisici usano invece la definizione di massa in E=mc 2 di Einstein . )
Sebbene l’esperimento dovrebbe essere eseguito su scala più ampia con molti più rivelatori per fornire un set di dati ampliato, è ancora la ricerca più sensibile di fotoni oscuri eseguita fino ad oggi in questo intervallo di massa, ha detto Nam. I ricercatori, inclusi i collaboratori del Massachusetts Institute of Technology, della Stanford University, dell’Università di Washington, della New York University e del Flatiron Institute, hanno riportato i loro risultati in un articolo su Physical Review Letters .
In un secondo rapporto, alcuni degli stessi ricercatori del NIST e dei loro collaboratori hanno analizzato i dati del primo studio in modo diverso. Gli scienziati hanno ignorato i potenziali effetti della pila di materiale isolante e si sono concentrati solo sul fatto che qualsiasi tipo di particella di materia oscura fosse in grado di interagire con i singoli elettroni nel rivelatore di nanofili stesso, sia disperdendo un elettrone o venendo assorbita da esso.
Sebbene piccolo, questo studio ha posto i limiti più forti di qualsiasi esperimento fino ad oggi – escluse le ricerche astrofisiche e gli studi del sole – sulla forza delle interazioni tra elettroni e materia oscura nell’intervallo di massa inferiore al milione di eV. Ciò rende probabile che una versione ingrandita della configurazione SNSPD possa dare un contributo significativo alla ricerca della materia oscura, ha affermato Chiles.
Lui ei suoi colleghi dell’Università Ebraica di Gerusalemme, dell’Università della California, Santa Cruz, del Santa Cruz Institute for Particle Physics dell’Università della California; e il MIT ha riportato questa analisi in un articolo nell’edizione dell’8 dicembre di Physical Review D.
In un terzo studio, un fisico del NIST ei suoi colleghi hanno proposto che i singoli elettroni, confinati elettromagneticamente in una piccola regione dello spazio, potrebbero essere rivelatori sensibili di particelle cariche di materia oscura. Per più di tre decenni, gli scienziati hanno utilizzato una popolazione molto più pesante di ioni di berillio caricati positivamente per sondare le proprietà elettriche e magnetiche delle particelle cariche ordinarie (non scure).
Gli elettroni, tuttavia, sarebbero rivelatori ideali per rilevare le particelle di materia oscura se queste particelle hanno anche la minima carica elettrica. Questo perché gli elettroni hanno la massa più bassa di qualsiasi particella carica conosciuta e quindi sono facilmente spinti o attratti dal minimo disturbo elettrico, come una particella con una piccola carica elettrica che passa nelle vicinanze.
Sarebbero necessari solo pochi singoli elettroni intrappolati per rilevare particelle di materia oscura cariche con solo un centesimo della carica di un elettrone, ha affermato il fisico del NIST Jake Taylor, membro del Joint Quantum Institute e del Joint Center for Quantum Information and Computer Science, partenariati di ricerca tra il NIST e l’Università del Maryland.
Gli elettroni intrappolati elettromagneticamente verrebbero raffreddati a una frazione di grado sopra lo zero assoluto per limitare il jitter intrinseco della particella. Taylor, insieme a Daniel Carney del Lawrence Berkeley National Laboratory in California, Hartmut Haffner dell’Università della California, Berkeley, e David C. Moore della Yale University, hanno descritto il loro esperimento proposto in Physical Review Letters .
Configurando la trappola in modo che la forza del confinamento dell’elettrone sia diversa lungo ogni dimensione – lunghezza, larghezza e altezza – la trappola potrebbe potenzialmente fornire anche informazioni sulla direzione da cui è arrivata la particella di materia oscura.
Tuttavia, gli scienziati devono affrontare una sfida tecnologica prima di poter utilizzare l’intrappolamento di elettroni per cercare la materia oscura. I fotoni vengono utilizzati per raffreddare, manipolare e rilevare il movimento di ioni ed elettroni intrappolati. Per gli ioni di berillio, quei fotoni, generati da un laser, rientrano nella gamma della luce visibile.
La tecnologia che consente ai fotoni della luce visibile di manipolare gli ioni di berillio intrappolati è ben consolidata. Al contrario, i fotoni necessari per rilevare il movimento dei singoli elettroni hanno energie a microonde e la tecnologia di rilevamento necessaria deve ancora essere perfezionata. Tuttavia, se l’interesse per il progetto è abbastanza forte, gli scienziati potrebbero sviluppare una trappola di elettroni in grado di rilevare la materia oscura in meno di cinque anni, ha stimato Carney.
In un altro studio, un ricercatore del NIST e un gruppo internazionale di colleghi stanno guardando oltre la Terra alla ricerca di materia oscura. Un team che comprende Marianna Safronova dell’Università del Delaware e il Joint Quantum Institute ha proposto che una nuova generazione di orologi atomici, installati su un veicolo spaziale che volerebbe più vicino al sole rispetto all’orbita di Mercurio, possa cercare segni di materia oscura ultraleggera.
Questo ipotetico tipo di materia oscura, legata a un alone che circonda il sole, causerebbe minuscole variazioni nelle costanti fondamentali della natura, tra cui la massa dell’elettrone e la costante di struttura fine.
I cambiamenti in queste costanti altererebbero la frequenza con cui vibrano gli orologi atomici, la velocità con cui “ticchettano”. Tra la grande varietà di orologi atomici, i ricercatori sceglierebbero attentamente due che hanno sensibilità diverse ai cambiamenti nelle costanti fondamentali guidati dalla materia oscura ultraleggera. Misurando il rapporto tra le due frequenze variabili, gli scienziati potrebbero rivelare la presenza della materia oscura , hanno calcolato i ricercatori.
Descrivono la loro analisi in un articolo pubblicato online su Nature Astronomy .