I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e i loro colleghi hanno proposto un nuovo metodo per trovare la materia oscura, il materiale misterioso del cosmo che è sfuggito all'individuazione per decenni. La materia oscura costituisce circa il 27% dell'universo; materia ordinaria, come la roba che costruisce stelle e pianeti, rappresenta solo il 5% del cosmo. (Un'entità misteriosa chiamata energia oscura rappresenta il restante 68%.)

Secondo i cosmologi, tutto il materiale visibile nell'universo sta semplicemente fluttuando in un vasto mare di materia oscura, particelle che sono invisibili ma nondimeno hanno massa ed esercitano una forza gravitazionale. La gravità della materia oscura fornirebbe la colla mancante che impedisce alle galassie di cadere a pezzi e spiegherebbe come la materia si sia raggruppata insieme per formare il ricco arazzo galattico dell'universo.

L'esperimento proposto, in cui un miliardo di pendoli millimetrici fungerebbe da sensori di materia oscura, sarebbe il primo a cacciare la materia oscura esclusivamente attraverso la sua interazione gravitazionale con la materia visibile. L'esperimento sarebbe uno dei pochi a cercare particelle di materia oscura con una massa grande quanto quella di un granello di sale, una scala raramente esplorata e mai studiata da sensori in grado di registrare minuscole forze gravitazionali.

Esperimenti precedenti hanno cercato la materia oscura cercando segni non gravitazionali di interazioni tra le particelle invisibili e alcuni tipi di materia ordinaria. Questo è stato il caso delle ricerche di un ipotetico tipo di materia oscura chiamata WIMP (particelle massicce che interagiscono debolmente), che è stato uno dei principali candidati per il materiale invisibile per più di due decenni. I fisici hanno cercato prove che quando le WIMP si scontrano occasionalmente con sostanze chimiche in un rilevatore, emettono luce o scaricano la carica elettrica.

I ricercatori a caccia di WIMP in questo modo sono usciti a mani vuote o hanno ottenuto risultati inconcludenti; le particelle sono troppo leggere (teorizzate per variare in massa tra quella di un elettrone e quella di un protone) per essere rilevate attraverso la loro attrazione gravitazionale.

Con la ricerca di WIMP apparentemente allo stremo, i ricercatori del NIST e i loro colleghi stanno ora considerando un metodo più diretto per cercare particelle di materia oscura che hanno una massa più pesante e quindi esercitano una forza gravitazionale abbastanza grande da essere rilevate.

"La nostra proposta si basa esclusivamente sull'accoppiamento gravitazionale, l'unico accoppiamento che sappiamo per certo che esiste tra materia oscura e ordinaria materia luminosa, ", ha affermato il coautore dello studio Daniel Carney, un fisico teorico affiliato congiuntamente al NIST, il Joint Quantum Institute (JQI) e il Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) presso l'Università del Maryland a College Park, e il Laboratorio Nazionale Acceleratori Fermi.

I ricercatori, che includono anche Jacob Taylor del NIST, JQI e QuICS; Sohitri Ghosh di JQI e QuICS; e Gordan Krnjaic del Fermi National Accelerator Laboratory, calcolare che il loro metodo può cercare particelle di materia oscura con una massa minima circa la metà di quella di un granello di sale, o circa un miliardo di miliardi di volte la massa di un protone. Gli scienziati riferiscono oggi i loro risultati in Revisione fisica D .

Poiché l'unica incognita nell'esperimento è la massa della particella di materia oscura, non come si accoppia alla materia ordinaria, "se qualcuno costruisce l'esperimento che suggeriamo, o trovano la materia oscura o escludono tutti i candidati della materia oscura su una vasta gamma di possibili masse, " disse Carney. L'esperimento sarebbe sensibile a particelle che vanno da circa 1/5, 000 di un milligrammo a pochi milligrammi.

Quella scala di massa è particolarmente interessante perché copre la cosiddetta massa di Planck, una quantità di massa determinata unicamente da tre costanti fondamentali della natura ed equivalente a circa 1/5, 000 di grammo.

Carney, Taylor e i loro colleghi propongono due schemi per il loro esperimento sulla materia oscura gravitazionale. Entrambi coinvolgono piccoli, dispositivi meccanici di dimensioni millimetriche che agiscono come rivelatori gravitazionali squisitamente sensibili. I sensori sarebbero raffreddati a temperature appena sopra lo zero assoluto per ridurre al minimo il rumore elettrico legato al calore e schermati dai raggi cosmici e da altre fonti di radioattività. In uno scenario, una miriade di pendoli altamente sensibili si fletterebbero leggermente ciascuno in risposta allo strattone di una particella di materia oscura che passa.

Dispositivi simili (con dimensioni molto più grandi) sono già stati impiegati nel recente rilevamento delle onde gravitazionali vincitore del premio Nobel, increspature nel tessuto dello spazio-tempo previsto dalla teoria della gravità di Einstein. Specchi accuratamente sospesi, che si comportano come pendoli, muovere meno della lunghezza di un atomo in risposta a un'onda gravitazionale che passa.

In un'altra strategia, i ricercatori propongono di utilizzare sfere levitate da un campo magnetico o perline levitate da luce laser. In questo schema, la levitazione viene disattivata all'inizio dell'esperimento, in modo che le sfere o i grani siano in caduta libera. La gravità di una particella di materia oscura in transito disturberebbe leggermente il percorso degli oggetti in caduta libera.

"Stiamo usando il movimento degli oggetti come nostro segnale, " ha detto Taylor. "Questo è essenzialmente diverso da ogni rivelatore di fisica delle particelle là fuori."

I ricercatori calcolano che è necessaria una serie di circa un miliardo di minuscoli sensori meccanici distribuiti su un metro cubo per differenziare una vera particella di materia oscura da una particella ordinaria o segnali elettrici casuali spuri o "rumore" che attivano un falso allarme nei sensori. Le particelle subatomiche ordinarie come i neutroni (che interagiscono attraverso una forza non gravitazionale) si fermerebbero di colpo in un singolo rivelatore. In contrasto, gli scienziati si aspettano una particella di materia oscura, sfrecciando oltre la schiera come un asteroide in miniatura, farebbe oscillare gravitazionalmente ogni rivelatore sul suo cammino, uno dopo l'altro.

Il rumore farebbe muovere i singoli rilevatori in modo casuale e indipendente piuttosto che in sequenza, come farebbe una particella di materia oscura. Come bonus, il movimento coordinato dei miliardi di rivelatori rivelerebbe la direzione in cui si stava dirigendo la particella di materia oscura mentre sfrecciava attraverso l'array.

Per fabbricare tanti piccoli sensori, il team suggerisce che i ricercatori potrebbero voler prendere in prestito tecniche che l'industria degli smartphone e dell'automobile già utilizzano per produrre un gran numero di rilevatori meccanici.

Grazie alla sensibilità dei singoli rilevatori, i ricercatori che utilizzano la tecnologia non devono limitarsi al lato oscuro. Una versione su scala ridotta dello stesso esperimento potrebbe rilevare le forze deboli provenienti da onde sismiche distanti e dal passaggio di particelle subatomiche ordinarie, come i neutrini e i singoli, fotoni a bassa energia (particelle di luce).

L'esperimento su scala più piccola potrebbe persino cacciare particelle di materia oscura, se impartiscono un calcio abbastanza grande ai rivelatori attraverso una forza non gravitazionale, come prevedono alcuni modelli, ha detto Carney.

"Stiamo ponendo l'ambizioso obiettivo di costruire un rivelatore gravitazionale di materia oscura, ma la ricerca e sviluppo necessari per raggiungere questo obiettivo aprirebbe la porta a molte altre misurazioni di rilevamento e metrologia, " disse Carney.

I ricercatori di altre istituzioni hanno già iniziato a condurre esperimenti preliminari utilizzando il progetto del team del NIST.