Invisibile, impercettibile e tuttavia molto più comune della materia ordinaria, la materia oscura costituisce un incredibile 85 percento della massa dell'universo. I fisici stanno lentamente ma costantemente rintracciando la natura di questa sostanza non identificata. L'ultimo risultato dell'esperimento PICO pone alcuni dei migliori limiti finora alle proprietà di alcuni tipi di materia oscura.

PICO cerca WIMP (particelle massicce che interagiscono debolmente), un tipo ipotizzato di particella di materia oscura che interagirebbe solo raramente, che li rende difficili da trovare.

In questo gioco cosmico estremo di "Dov'è Waldo?" il più recente, i rivelatori tecnologicamente più complessi sono generalmente considerati i più promettenti. Molti di questi esperimenti sulla materia oscura si basano su centinaia se non migliaia di canali elettrici e richiedono rack di server solo per memorizzare i dati che raccolgono.

Ma PICO si basa su un fenomeno semplice e su un rivelatore abbastanza discreto:bolle, e una camera a bolle. Al suo centro, L'apparato di PICO è semplicemente un barattolo di vetro pieno di liquido in cui si possono formare delle bolle che possono essere monitorate da una videocamera.

Reinventare la bolla

PICO ha avuto inizio nel 2005 come collaborazione tra l'Università di Chicago e il Fermilab del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. (L'esperimento è iniziato con un nome diverso, COPPA, e in seguito si fuse con l'esperimento PICASSO per formare PICO.) Nei primi giorni dell'esperimento, gran parte del lavoro degli scienziati del Fermilab è stato dedicato semplicemente allo sviluppo della tecnologia delle camere a bolle. Perché mentre la camera a bolle non era affatto nuova - è stata inventata nel 1952 - anche la tecnologia era fuori uso da 20 anni.

Le camere a bolle sono progettate per convertire l'energia depositata da una particella subatomica in una bolla che può essere osservata. In un liquido come l'acqua a temperatura ambiente, le collisioni di particelle non fanno nulla di evidente. Per ottenere la sensibilità alle particelle, il fluido all'interno delle camere a bolle viene riscaldato appena sopra il suo punto di ebollizione, quindi la minima interruzione potrebbe portare il fluido a uno stato di ebollizione, creando una bolla.

"Puoi effettivamente guardare la camera e vedere la forma della bolla, "ha detto il fisico del Fermilab Hugh Lippincott, un collaboratore di PICO. Nei tipici esperimenti di fisica delle particelle, le informazioni sulle interazioni delle particelle vengono fornite esclusivamente tramite interfacce informatiche. In PICO, le interazioni sono visibili ad occhio nudo come bolle.

"È fantastico premere la faccia contro il vetro e semplicemente... scoppiare!" ha detto il fisico del Fermilab Andrew Sonnenschein, anche collaboratore di PICO.

Se esistono WIMP, dovrebbero occasionalmente interagire con il fluido nella camera a bolle di PICO, creando un certo numero di bolle ogni anno.

È stato un ritorno alla vecchia scuola, fisica delle particelle a bassa tecnologia quando i collaboratori del Fermilab hanno iniziato a progettare la camera a bolle PICO, che è installato a 2 chilometri sottoterra presso il laboratorio canadese SNOLAB. Le camere a bolle dei decenni passati erano state utilizzate per tracciare milioni di particelle cariche come protoni ed elettroni, che lascerebbe a lungo, tracce tortuose nel fluido.

"Le vecchie camere a bolle hanno avuto un grande successo, ma è finita negli anni '80, " Sonnenschein ha detto. "Erano troppo lenti per stare al passo con esperimenti che avevano velocità di trasmissione dati molto più grandi".

Di conseguenza, le camere a bolle sono state eliminate quando i moderni collisori di particelle come il Tevatron del Fermilab e il Large Hadron Collider del CERN hanno preso il sopravvento. Utilizzando un'elettronica complessa, i rivelatori di questi collisori sono stati in grado di raccogliere milioni di volte più dati rispetto alle camere a bolle.

Infatti, le camere a bolle erano fuori uso da così tanto tempo che i fondatori di PICO dovettero tornare al tavolo da disegno, tornare ad alcuni dei documenti dei pionieri della camera a bolle originale, e reinventare efficacemente la tecnologia per rilevare la materia oscura.

"Dopo che i primi progettisti delle camere a bolle hanno capito come farle funzionare per tracciare particelle ad alta energia con scie di bolle, gli ingredienti base della ricetta non sono cambiati. Stiamo cercando particelle a bassa energia che producono solo singole bolle, tante cose sono diverse, ", ha detto Sonnenschein.

Il nuovo design per consentire alle camere a bolle di rilevare la materia oscura conserva ancora molti degli elementi dei vecchi rilevatori di camere a bolle.

"La cosa che rende PICO interessante è che stiamo usando un design del rivelatore relativamente semplice rispetto agli altri esperimenti sulla materia oscura, "ha detto Dan Baxter, uno studente laureato della Northwestern University e borsista del Fermilab che è stato l'ultimo coordinatore della corsa di PICO.

A differenza delle tradizionali camere a bolle con rilevamento di particelle cariche, La camera a bolle di PICO è progettata per cercare elementi sfuggenti, WIMP neutrali che potrebbero richiedere anni per fare la loro comparsa.

"Lo sta usando in un modo diverso, " ha detto Lippincott. "Ai vecchi tempi, non ti aspetteresti mai di usare una camera a bolle semplicemente lasciandola lì senza che succeda nulla."

Una bolla WIMPy

La forza debole che governa le WIMP è all'altezza del suo nome. Per confronto, sono circa le 10, 000 volte più debole della forza elettromagnetica. Particelle che interagiscono attraverso la forza debole, come WIMP e neutrini, non interagire spesso, rendendoli difficili da catturare. Ma anche un WIMP lento può depositare energia sufficiente per essere visibile in un rivelatore.

Calibrando accuratamente il calore e la pressione nel fluido della camera a bolle di PICO, gli scienziati sono stati in grado di rendere il rivelatore sensibile solo alle interazioni di particelle massicce come le WIMP. I ricercatori PICO sono stati in grado di evitare gran parte dello sfondo standard, come segnali di elettroni e raggi gamma, che affliggono altri rilevatori di materia oscura.

Padroneggiare la tecnologia per farlo ha richiesto anni. I predecessori di PICO all'inizio erano poco più che provette riempite con qualche cucchiaino di liquido. Gradualmente, le navi divennero più grandi. Quindi i ricercatori hanno aggiunto il monitoraggio del suono ai loro rilevatori per catturare i "pop" dalle bolle create dalle WIMP.

"Vediamo un suono cinguettio, "Sonnenschein ha detto, riferendosi alle bolle che scoppiano. "Si scopre che se si osserva il contenuto in frequenza del cinguettio del suono e l'ampiezza, puoi dire la differenza tra i diversi tipi di interazioni tra particelle."

Se un WIMP ha creato una bolla, PICO sarebbe in grado non solo di vedere prove di materia oscura, ma ascoltalo anche tu. Utilizzando questa tecnologia acustica, i ricercatori sono stati in grado di porre efficacemente il veto alle bolle che non avrebbero potuto essere create dalle WIMP, permettendo loro di eliminare lo sfondo.

Come risulta, PICO non ha visto bolle dalle WIMP, quindi sono stati in grado di porre limiti sia alle masse WIMP sia alla probabilità che interagiscano con la materia, due fattori che influenzano il numero di bolle prodotte dalle WIMP.

Porre dei limiti a questi fattori - massa e velocità di interazione - può dire ai fisici dove dovrebbero cercare la materia oscura.

Dove nessuna bolla è mai arrivata prima

"Non sappiamo cosa sia la materia oscura, e quindi ci sono molte teorie su cosa potrebbe essere e su come potrebbe interagire con la materia normale, " ha detto Baxter.

La varietà delle teorie richiede una varietà di esperimenti differenti. Altri esperimenti cercano diverse fonti di materia oscura, come particelle chiamate assioni o neutrini sterili. La ricerca di PICO per le WIMP si concentra in modo specifico sulle cosiddette WIMP dipendenti dallo spin.

"Non sappiamo cosa siano le WIMP, " ha detto Lippincott. "Ma in generale le loro interazioni con la materia normale rientrerebbero in due categorie:una che non è sensibile alla rotazione del nucleo, e uno che è."

Rotazione, come carica, è una quantità intrinseca trasportata da particelle e nuclei atomici. PICO cerca principalmente le interazioni WIMP che sono sensibili allo spin del nucleo. Per aumentare la loro risoluzione di queste interazioni, i ricercatori usano un fluido con un liquido contenente fluoro, che ha uno spin nucleare relativamente grande. Con questo metodo, PICO ha aumentato la loro capacità di vedere le WIMP sensibili allo spin di un fattore 17.

Essenzialmente, Il risultato di PICO è che queste WIMP sensibili allo spin, se esistono, deve interagire molto di rado, altrimenti PICO avrebbe visto più bolle.

Questo risultato, che è di gran lunga il migliore per WIMP sensibili allo spin che interagiscono con i protoni, non esclude l'esistenza di WIMP. Ci sono ancora molti altri posti in cui cercare la materia oscura, ma grazie a PICO, meno posti dove nascondersi.

La collaborazione PICO ha attualmente una proposta alla Canada Foundation for Innovation per costruire la prossima generazione di camere PICO, e fisici come Lippincott e Sonnenschein rimangono ottimisti a causa del potenziale di espansione della tecnologia.

"Sono piuttosto economici una volta terminata l'ingegneria, principalmente perché sono molto semplici meccanicamente. I pezzi poco pratici non sono molto poco pratici, "Ha detto Lippincott. "Ci sono buone probabilità che le camere a bolle continueranno a svolgere un ruolo nella caccia alla materia oscura".