In una miniera d'oro abbandonata un miglio sotto Piombo, Sud Dakota, il cosmo si calma abbastanza da poter potenzialmente udire i deboli sussurri del materiale più sfuggente dell'universo:la materia oscura.

Protetto dal diluvio di raggi cosmici che inondano costantemente la superficie terrestre, e ripulito da metalli e gas radioattivi rumorosi, la miniera, gli scienziati pensano, sarà l'ambiente ideale per l'esperimento sulla materia oscura più sensibile fino ad oggi. Conosciuto come LUX-ZEPLIN, l'esperimento partirà nel 2020 e ascolterà una rara collisione tra una particella di materia oscura con 10 tonnellate di xeno liquido.

Dieci scienziati dell'Università del Wisconsin-Madison sono coinvolti nella progettazione e nel test del rivelatore, e fanno parte di un team di oltre 200 ricercatori provenienti da 38 istituzioni in cinque paesi che lavorano al progetto. Questo mese, il Dipartimento dell'Energia ha approvato la procedura con le fasi finali di assemblaggio e costruzione di LZ presso il Sanford Underground Research Facility in South Dakota, con un costo totale del progetto di $ 55 milioni. Un ulteriore supporto proviene da collaboratori internazionali nel Regno Unito, Corea del Sud e Portogallo, così come la South Dakota Science and Technology Authority. L'obiettivo dei ricercatori è portare l'esperimento online il più rapidamente possibile per competere in una corsa globale per essere i primi a rilevare la materia oscura.

Negli anni '30, mentre gli astronomi studiavano la rotazione di galassie lontane, notarono che non c'era abbastanza materia:stelle, pianeti, gas caldo:per tenere insieme le galassie attraverso la gravità. Doveva esserci una massa extra che aiutasse a legare insieme tutto il materiale visibile, ma era invisibile, mancante.

Materia oscura, gli scienziati credono, comprende quella massa mancante, contribuendo a un potente contrappeso gravitazionale che impedisce alle galassie di separarsi. Sebbene la materia oscura si sia finora dimostrata non rilevabile, potrebbe essercene molto, circa cinque volte di più della materia normale.

"Le particelle di materia oscura potrebbero essere proprio qui nella stanza che ti fluiscono nella testa, magari incontrando di tanto in tanto uno dei tuoi atomi, "dice Duncan Carlsmith, un professore di fisica all'UW-Madison.

Una spiegazione proposta per la materia oscura è particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP, particelle che di solito passano inosservate attraverso la materia normale ma che possono, all'occasione, imbattersi in esso. L'esperimento LZ, e progetti simili in Italia e Cina, sono progettati per rilevare o escludere i WIMP nella ricerca per spiegare questo materiale spettrale.

Il rivelatore è configurato come un'enorme campana in grado di suonare in risposta al tocco più leggero di una particella di materia oscura. All'interno di due camere esterne progettate per rilevare e rimuovere le particelle contaminanti si trova una camera riempita con 10 tonnellate di xeno liquido. Se un pezzo di materia oscura incontra un atomo di xeno, lo xeno si scontrerà con i suoi vicini, producendo un lampo di luce ultravioletta e rilasciando elettroni.

Pochi istanti dopo, gli elettroni liberi ecciteranno il gas xenon nella parte superiore della camera e ne rilasceranno un secondo, esplosione di luce più brillante. Più di 500 tubi fotomoltiplicatori guarderanno questi segnali, che insieme possono discriminare tra una particella contaminante e le vere collisioni di materia oscura.

Kimberly Palladino, un assistente professore di fisica alla UW-Madison, e lo studente laureato Shaun Alsum facevano parte del team di ricerca per LUX, il predecessore di LZ, che imposta i record alla ricerca di WIMP. Basandosi sulla loro esperienza dal precedente esperimento, Palladino, Alsum, lo studente laureato Jonathan Nikoleyczik e ricercatori universitari stanno conducendo simulazioni di collisioni di materia oscura e prototipando il rivelatore di particelle per aumentare la sensibilità di LZ e scartare in modo più rigoroso i segnali prodotti dalla materia ordinaria.

Il progetto LZ è "fare scienza nel modo in cui si vuole fare scienza, "dice Palladino, spiegando come la collaborazione fornisce il tempo, finanziamenti e competenze necessarie per affrontare questioni fondamentali sulla natura dell'universo.

Il successo di LZ dipende in parte dall'esclusione di materiali contaminanti, comprese le sostanze chimiche reattive e tracce di elementi radioattivi, dallo xeno, che si basa sull'abilità ingegneristica fornita dal laboratorio di scienze fisiche di UW-Madison. Jeff Cherwinka, ingegnere capo del progetto LZ e un ingegnere meccanico PSL, sta supervisionando l'assemblaggio del rivelatore di materia oscura in una struttura speciale ripulita dal radon radioattivo e sta progettando un sistema per rimuovere continuamente il gas che fuoriesce dal rivestimento della camera allo xeno. Insieme all'ingegnere PSL Terry Benson, Cherwinka sta anche progettando il sistema di stoccaggio dello xeno per evitare che eventuali elementi radioattivi possano penetrare durante il trasporto e l'installazione.

"È uno dei punti di forza dell'università avere le competenze ingegneristiche e produttive per contribuire a questi progetti su larga scala, " dice Cherwinka. "Aiuta UW a guadagnare più quote in questi progetti".

Nel frattempo, Carlsmith e Sridhara Dasu, anche un professore di fisica alla UW-Madison, stanno progettando sistemi computazionali per gestire e analizzare i dati in uscita dal rivelatore per essere pronti ad ascoltare le collisioni di materia oscura non appena LZ sarà acceso nel 2020. Una volta operativo, LZ si avvicinerà rapidamente al limite fondamentale della sua capacità di rilevamento, il rumore di fondo delle particelle che fuoriescono dal sole.

"In un anno, se non ci sono WIMP, o se interagiscono troppo debolmente, non vedremo niente, " afferma Carlsmith. L'esperimento dovrebbe funzionare per almeno cinque anni per confermare eventuali osservazioni iniziali e fissare nuovi limiti alle potenziali interazioni tra WIMP e materia ordinaria.

Altri esperimenti, compresi i progetti del Wisconsin IceCube Particle Astrophysics Center IceCube, HAWC, e CTA, stanno cercando le firme degli eventi di annientamento della materia oscura come metodi indipendenti e indiretti per indagare sulla natura della materia oscura. Inoltre, Scienziati UW-Madison stanno lavorando al Large Hadron Collider, alla ricerca di prove che la materia oscura sia prodotta durante collisioni di particelle ad alta energia. Questa combinazione di sforzi offre la migliore opportunità finora per scoprire di più sulla natura della materia oscura, e con essa l'evoluzione e la struttura del nostro universo.