La tecnologia proposta 30 anni fa per cercare la materia oscura sta finalmente vedendo la luce.

Gli scienziati utilizzano sensori innovativi, chiamati skipper CCD (abbreviazione di dispositivi ad accoppiamento di carica) in un nuovo tipo di progetto di rilevamento della materia oscura. Gli scienziati utilizzeranno il progetto, noto come SENSEI, per trovare le particelle di materia oscura più leggere che qualcuno abbia mai cercato.

Materia oscura, così chiamata perché non assorbe, riflettono o emettono luce:costituisce il 27 percento dell'universo, ma la giuria è ancora fuori di cosa sia fatto. Il principale sospetto teorico per il componente principale della materia oscura è una particella che gli scienziati hanno chiamato in modo descrittivo la particella massiccia debolmente interattiva, o WIMP.

Ma poiché nessuna di queste particelle pesanti, che dovrebbero avere una massa 100 volte quella di un protone, sono emersi in esperimenti, potrebbe essere il momento per i ricercatori di pensare in piccolo.

"C'è un crescente interesse nella ricerca di diversi tipi di materia oscura che siano additivi al modello WIMP standard, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab Javier Tiffenberg, un capofila della collaborazione SENSEI. "Leggero, o di piccola massa, la materia oscura è una possibilità molto interessante, e per la prima volta, la tecnologia è lì per esplorare questi candidati."

La materia oscura di bassa massa lascerebbe un minuscolo, firma difficile da vedere quando si scontra con il materiale all'interno di un rivelatore. Catturare queste particelle sfuggenti richiede un maestro nel rilevamento della materia oscura:SENSEI.

Percependo l'invisibile

Negli esperimenti tradizionali sulla materia oscura, gli scienziati cercano un trasferimento di energia che si verificherebbe se le particelle di materia oscura entrassero in collisione con un nucleo ordinario, ma SENSEI è diverso. Cerca interazioni dirette delle particelle di materia oscura che collidono con gli elettroni.

"Questa è una grande differenza:in questo caso ottieni molta più energia trasferita perché un elettrone è così leggero rispetto a un nucleo, "Ha detto Tiffenberg.

Se la materia oscura ha una massa bassa, molto più piccola di quanto suggerisce il modello WIMP, allora sarebbe molte volte più leggera di un nucleo atomico. Quindi, se dovesse scontrarsi con un nucleo, il trasferimento di energia risultante sarebbe troppo piccolo per dirci qualcosa. Sarebbe come lanciare una pallina da ping pong contro un masso:l'oggetto pesante non va da nessuna parte, e non ci sarebbe stato alcun segno che i due fossero entrati in contatto.

Un elettrone non è neanche lontanamente pesante quanto un nucleo atomico. Infatti, un singolo protone ha circa 1, 836 volte più massa di un elettrone. Quindi la collisione di una particella di materia oscura di piccola massa con un elettrone ha molte più possibilità di lasciare un segno:più palla da bowling del masso del nucleo.

Comunque, l'elettrone è ancora una palla da bowling rispetto alla particella di materia oscura di piccola massa. Un trasferimento di energia tra i due lascerebbe solo un lampo di energia, uno troppo piccolo per essere rilevato dalla maggior parte dei rilevatori o facilmente oscurato dal rumore nei dati. C'è un piccolo scambio di energia, ma, se il rilevatore non è abbastanza sensibile, potrebbe sembrare che non accada nulla.

"La palla da bowling si muoverà di una piccolissima quantità, ", ha detto lo scienziato del Fermilab Juan Estrada, un collaboratore SENSEI. "Hai bisogno di un rivelatore molto preciso per vedere questa interazione di particelle leggere con qualcosa che è molto più pesante".

È qui che entrano in gioco i sensibili CCD skipper di SENSEI:raccoglieranno quel piccolo trasferimento di energia.

I CCD sono stati utilizzati per altri esperimenti di rilevamento della materia oscura, come l'esperimento Dark Matter in CCDs (o DAMIC) che opera allo SNOLAB in Canada. Questi CCD erano uno spin-off di sensori sviluppati per l'uso nella Dark Energy Camera in Cile e altri progetti di ricerca dell'energia oscura.

I CCD sono tipicamente realizzati in silicio suddiviso in pixel. Quando una particella di materia oscura passa attraverso il CCD, si scontra con gli elettroni del silicio, liberandoli, lasciando una carica elettrica netta in ogni pixel attraversato dalla particella. Gli elettroni quindi fluiscono attraverso i pixel adiacenti e vengono infine letti come una corrente in un dispositivo che misura il numero di elettroni liberati da ciascun pixel CCD. Questa misurazione indica agli scienziati la massa e l'energia della particella, in questo caso la particella della materia oscura, che ha innescato la reazione a catena. Una particella massiccia, come un WIMP, libererebbe uno zampillo di elettroni, ma una particella di piccola massa potrebbe liberarne solo una o due.

I CCD tipici possono misurare la carica lasciata indietro solo una volta, il che rende difficile decidere se un piccolo segnale di energia da uno o due elettroni è reale o un errore.

I CCD Skipper sono una nuova generazione della tecnologia che aiuta ad eliminare l'"incertezza" di una misurazione che ha un margine di errore di uno o due elettroni. Ciò consente una precisione molto più elevata grazie a un design unico.

"Nel passato, i rilevatori potrebbero misurare la quantità di carica dell'energia depositata in ciascun pixel solo una volta, " Ha detto Tiffenberg. "Il grande passo avanti per lo skipper CCD è che siamo in grado di misurare questa carica tutte le volte che vogliamo."

La carica lasciata nel CCD skipper dalla materia oscura che libera gli elettroni può essere campionata più volte e quindi calcolata la media, un metodo che fornisce una misurazione più precisa della carica depositata in ciascun pixel rispetto alla tecnica di misura uno e fatto. Questa è la regola delle statistiche:con più dati, ti avvicini al vero valore di un immobile.

Gli scienziati SENSEI sfruttano l'architettura CCD skipper, misurare il numero di elettroni in un singolo pixel un enorme 4, 000 volte e poi facendone la media. Ciò riduce al minimo l'errore di misurazione, o il rumore, e chiarisce il segnale.

"Questa è un'idea semplice, ma ci sono voluti 30 anni per farlo funzionare, " disse Estrada.

Dall'idea, alla realtà, oltre

Un piccolo prototipo SENSEI è attualmente in funzione al Fermilab in una sala rivelatori a 385 piedi sotto terra, e ha dimostrato che questo design del rivelatore funzionerà nella caccia alla materia oscura.

Dopo alcuni decenni esisteva solo come un'idea, skipper CCD technology e SENSEI sono stati portati in vita dai fondi Laboratory Directed Research and Development (LDRD) del Fermilab e del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). I Fermilab LDRD sono stati assegnati solo di recente, meno di due anni fa, ma la stretta collaborazione tra i due laboratori ha già prodotto il promettente design di SENSEI, in parte grazie al precedente lavoro del laboratorio di Berkeley nella progettazione di CCD per skipper.

I fondi del Fermilab LDRD consentono ai ricercatori di testare i sensori e sviluppare rilevatori basati sulla scienza, e i fondi del Berkeley Lab LDRD supportano la progettazione dei sensori, che è stato originariamente proposto dallo scienziato del Berkeley Lab Steve Holland.

"È la combinazione dei due LDRD che rende davvero possibile SENSEI, " disse Estrada.

I programmi LDRD hanno lo scopo di fornire finanziamenti per lo sviluppo di nuovi, idee all'avanguardia per la scoperta scientifica, e la tecnologia SENSEI è sicuramente all'altezza, anche al di là della sua ricerca della materia oscura.

Anche la futura ricerca SENSEI riceverà un impulso grazie a un recente finanziamento della Fondazione Heising-Simons.

"SENSEI è molto cool, ma ciò che è davvero impressionante è che lo skipper CCD consentirà la scienza SENSEI e molte altre applicazioni, " ha detto Estrada. "Gli studi astronomici sono limitati dalla sensibilità delle loro misurazioni sperimentali, e avere sensori senza rumore equivale a rendere il tuo telescopio più grande, più sensibile."

La tecnologia SENSEI può anche essere fondamentale nella caccia a un quarto tipo di neutrino, chiamato neutrino sterile, che sembra essere ancora più timido dei suoi tre notoriamente sfuggenti membri della famiglia dei neutrini.

Entro l'anno verrà implementato un rilevatore SENSEI più grande dotato di più CCD skipper. È possibile che non rilevi nulla, rimandando i ricercatori al tavolo da disegno nella caccia alla materia oscura. Oppure SENSEI potrebbe finalmente entrare in contatto con la materia oscura, e questo sarebbe SENSEI-tional.