L'universo è un luogo sorprendentemente segreto. Sostanze misteriose note come materia oscura ed energia oscura ne rappresentano circa il 95%. Nonostante gli enormi sforzi per scoprire cosa sono, semplicemente non lo sappiamo.

Sappiamo che la materia oscura esiste a causa dell'attrazione gravitazionale degli ammassi di galassie:la materia che possiamo vedere in un ammasso non è sufficiente a tenerlo insieme per gravità. Quindi ci deve essere del materiale extra lì, costituito da particelle sconosciute che semplicemente non sono visibili a noi. Sono già state proposte diverse particelle candidate.

Gli scienziati stanno cercando di capire cosa sono queste particelle sconosciute osservando come influenzano la materia ordinaria che vediamo intorno a noi. Ma finora si è rivelato difficile, quindi sappiamo che interagisce solo debolmente con la materia normale nella migliore delle ipotesi. Ora il mio collega Benjamin Varcoe ed io abbiamo escogitato un nuovo modo per sondare la materia oscura che potrebbe rivelarsi efficace:usando atomi che sono stati allungati per essere 4, 000 volte più grande del solito.

Atomi vantaggiosi

Abbiamo fatto molta strada dalla visione greca degli atomi come componenti indivisibili di tutta la materia. Il primo argomento basato sull'evidenza per l'esistenza degli atomi fu presentato all'inizio del 1800 da John Dalton. Ma fu solo all'inizio del XX secolo che JJ Thomson ed Ernest Rutherford scoprirono che gli atomi sono costituiti da elettroni e un nucleo. Subito dopo, Erwin Schrödinger descrisse matematicamente l'atomo usando quella che oggi viene chiamata teoria quantistica.

Gli esperimenti moderni sono stati in grado di intrappolare e manipolare singoli atomi con una precisione eccezionale. Questa conoscenza è stata utilizzata per creare nuove tecnologie, come laser e orologi atomici, e i futuri computer potrebbero utilizzare singoli atomi come componenti primari.

I singoli atomi sono difficili da studiare e controllare perché sono molto sensibili alle perturbazioni esterne. Questa sensibilità è solitamente un inconveniente, ma il nostro studio suggerisce che rende alcuni atomi ideali come sonde per il rilevamento di particelle che non interagiscono fortemente con la materia normale, come la materia oscura.

Il nostro modello si basa sul fatto che le particelle che interagiscono debolmente devono rimbalzare dal nucleo dell'atomo con cui si scontrano e scambiare con esso una piccola quantità di energia, in modo simile alla collisione tra due palline da biliardo. Lo scambio di energia produrrà uno spostamento improvviso del nucleo che alla fine sarà sentito dall'elettrone. Ciò significa che l'intera energia dell'atomo cambia, che possono essere analizzati per ottenere informazioni sulle proprietà della particella in collisione.

Tuttavia la quantità di energia trasferita è molto piccola, quindi è necessario un tipo speciale di atomo per rendere rilevante l'interazione. Abbiamo capito che il cosiddetto "atomo di Rydberg" avrebbe funzionato. Questi sono atomi con lunghe distanze tra l'elettrone e il nucleo, il che significa che possiedono un'elevata energia potenziale. L'energia potenziale è una forma di energia immagazzinata. Per esempio, una palla su uno scaffale alto ha energia potenziale perché potrebbe essere convertita in energia cinetica se cade dallo scaffale.

Nel laboratorio, è possibile intrappolare gli atomi e prepararli in uno stato di Rydberg, rendendoli grandi fino a 4, 000 volte la loro dimensione originale. Questo viene fatto illuminando gli atomi con un laser con luce a una frequenza molto specifica.

Questo atomo preparato è probabilmente molto più pesante delle particelle di materia oscura. Quindi, piuttosto che una palla da biliardo che ne colpisce un'altra, una descrizione più appropriata sarà una biglia che colpisce una palla da bowling. Sembra strano che gli atomi grandi siano più perturbati dalle collisioni rispetto a quelli piccoli - ci si può aspettare il contrario (le cose più piccole di solito sono più colpite quando si verifica una collisione).

La spiegazione è legata a due caratteristiche degli atomi di Rydberg:sono altamente instabili a causa della loro elevata energia, quindi piccole perturbazioni li disturberebbero di più. Anche, a causa della loro grande area, aumenta la probabilità che gli atomi interagiscano con le particelle, così subiranno più collisioni.

Individuare le particelle più piccole

Gli esperimenti attuali in genere cercano particelle di materia oscura cercando di rilevare la loro dispersione su nuclei atomici o elettroni sulla Terra. Lo fanno cercando la luce o gli elettroni liberi in grandi serbatoi di gas nobili liquidi generati dal trasferimento di energia tra la particella di materia oscura e gli atomi del liquido.

Ma, secondo le leggi della meccanica quantistica, ci deve essere un certo trasferimento di energia minimo per la produzione di luce. Un'analogia sarebbe una particella che collide con una corda di chitarra:produrrà una nota che possiamo sentire, ma se la particella è troppo piccola, la corda non vibrerà affatto.

Quindi il problema con questi metodi è che la particella di materia oscura deve essere abbastanza grande se vogliamo rilevarla in questo modo. Però, i nostri calcoli mostrano che gli atomi di Rydberg saranno disturbati in modo significativo anche da particelle di piccola massa, il che significa che possono essere applicati per cercare candidati di materia oscura che altri esperimenti mancano. Una di queste particelle è l'Axion, un'ipotetica particella che è un forte candidato per la materia oscura.

Gli esperimenti richiederebbero che gli atomi fossero trattati con estrema cura, ma non richiederanno di essere eseguiti in una struttura sotterranea profonda come altri esperimenti, poiché ci si aspetta che gli atomi di Rydberg siano meno suscettibili ai raggi cosmici rispetto alla materia oscura.

Stiamo lavorando per migliorare ulteriormente la sensibilità del sistema, con l'obiettivo di estendere la gamma di particelle che potrebbe essere in grado di percepire.

Oltre alla materia oscura, puntiamo anche ad applicarla un giorno per il rilevamento delle onde gravitazionali, le increspature nel tessuto dello spazio previste da Einstein molto tempo fa. Queste perturbazioni del continuum spazio-temporale sono state scoperte di recente, ma crediamo che usando gli atomi potremmo essere in grado di rilevare onde gravitazionali con una frequenza diversa da quelle già osservate.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.