Un team di ricercatori della Stanford University è in missione per identificare la materia oscura una volta per tutte. Ma prima, dovranno costruire la radio più sensibile del mondo.

"La materia oscura è la maggior parte della materia nel nostro universo. Non sappiamo cosa sia ma sappiamo che è lì perché possiamo vedere i suoi effetti gravitazionali, " ha spiegato Peter Graham, professore associato di fisica alla School of Humanities and Sciences di Stanford e uno dei leader di questa ricerca sulla materia oscura. "Sappiamo anche che deve essere costituito da una particella totalmente diversa con proprietà diverse da qualsiasi cosa abbiamo mai trovato".

Graham e Savas Dimopoulos, il professore di fisica della famiglia Hamamoto a Stanford, hanno sviluppato teorie sulla materia oscura che sostengono esperimenti di alta precisione incentrati sulla ricerca di assioni, particelle teorizzate che sono tra i candidati più probabili per la materia oscura. Le loro teorie, un tempo considerate "interessanti ma là fuori, " secondo Graham, stanno guadagnando popolarità mentre altri candidati per la materia oscura vengono esclusi e le nuove tecnologie stanno rendendo possibili i loro rigorosi esperimenti. Ora la Gordon and Betty Moore Foundation ha concesso ai ricercatori di Stanford circa 2,5 milioni di dollari per prototipare un nuovo tipo di sensore di materia oscura .

Guidato dalle teorie di Graham e Dimopoulos, Kent Irwin, un professore di fisica, di fisica delle particelle e astrofisica e di scienza dei fotoni presso Stanford e SLAC National Accelerator Laboratory, sta costruendo la Radio Materia Oscura, che cercherà il segnale degli assioni allo stesso modo in cui una radio AM standard riceve una trasmissione. Come una stazione radio AM, la materia oscura degli assioni ha una frequenza precisa, ma questa frequenza è sconosciuta. A causa dei progressi nei sensori quantistici, la radio sarà molto più sensibile dei passati esperimenti sulla materia oscura, e in grado di scansionare un'ampia fascia delle frequenze che hanno maggiori probabilità di rivelare gli assioni.

"Questo progetto è un bellissimo esempio di persone con competenze molto diverse che si uniscono per risolvere un problema difficile, " ha detto Risa Wechsler, direttore dell'Istituto Kavli per l'astrofisica e la cosmologia delle particelle (KIPAC) e professore di fisica e di fisica e astrofisica delle particelle. "La materia oscura è l'85 percento della massa nell'universo e penso che sia molto improbabile che potremmo esistere senza di essa. La cosa eccitante di questo esperimento è che apre così tanto spazio di scoperta che prima era inaccessibile".

Anche se i ricercatori non trovano l'assone, il loro lavoro avrebbe la particolarità di ricercare una frazione significativa della sua possibile gamma di frequenze. I ricercatori sono anche entusiasti di vedere come il loro sviluppo di sensori contribuirà ad applicazioni spin-off in vari campi.

La radio della materia oscura

La materia oscura costituisce la maggior parte della massa nell'universo, ma si teorizza che ogni assione abbia una massa così bassa, che rientra nella categoria della materia oscura ultraleggera, che potrebbe estendersi per chilometri. Meccanica quantistica, che è lo studio del comportamento di particelle estremamente piccole, sostiene che ogni particella si comporta anche come un'onda. Così, se gli assioni esistono, si increspano tutt'intorno a noi come un segnale radio. Il team di Dark Matter Radio cercherà la frequenza che trasporta il segnale dalle ondulazioni simili a onde di questo oceano di assioni sovrapposte.

Il primo trucco è convertire le onde di assione in onde radio, eseguite da un forte campo magnetico all'interno della Dark Matter Radio. La Dark Matter Radio è anche circondata da uno scudo superconduttore di niobio che blocca i normali segnali radio, ma lascerà passare le assioni.

Nonostante tutti questi miglioramenti, gli assioni emetteranno un segnale molto debole. Così, la sintonizzazione della radio deve essere incredibilmente nitida, l'equivalente di un'autoradio in grado di rilevare stazioni separate da un milionesimo di decimale. Come parte del raggiungimento di questo livello di sensibilità e precisione, Irwin sta lavorando con un nuovo tipo di sensore quantistico in grado di captare segnali magnetici cento milioni di trilioni di volte più piccoli di quelli prodotti da un tipico magnete da frigorifero.

"C'è stata una svolta nella capacità di controllare, creare e manipolare stati quantistici in modi che ci permettano di trarre vantaggio dalla teoria che esiste da molti decenni, " ha detto Irwin. "Queste sono alcune delle stesse tecniche che vengono utilizzate per sviluppare computer quantistici. Invece di usarli per calcolare, possiamo misurare le cose in modo molto più sensibile e preciso di quanto potessimo prima, e le tecniche che stiamo utilizzando avranno ampie applicazioni".

Gli stessi sensori quantistici che i ricercatori stanno integrando nella radio potrebbero anche migliorare la precisione delle tecniche di scansione medica che misurano le proprietà dei campi magnetici ed elettrici nel corpo umano.

Oltre la lavagna

Finora, i ricercatori hanno costruito con successo un prototipo delle dimensioni di una lattina di soda della radio della materia oscura che funziona come una radio AM estremamente sensibile. Attualmente stanno lavorando su una versione più grande che sarà in grado di scansionare tutte le frequenze di interesse con una sensibilità sufficiente per misurare la materia oscura degli assioni.

"La maggior parte delle idee che abbiamo noi teorici falliscono prima di arrivare da qualche parte, quindi è stato un grosso problema vedere questa pazza idea che avevamo su una lavagna diventare una cosa fisica, " disse Graham. "Gli sperimentali, come Kent, hanno ancora molto lavoro davanti a loro, ma per me, sembra il culmine di tanti anni di lavoro. La Dark Matter Radio sarà reale. Succederà".