I fisici della Brown University hanno ideato una nuova strategia per rilevare direttamente la materia oscura, il materiale sfuggente pensato per rappresentare la maggior parte della materia nell'universo.

La nuova strategia, che è progettato per rilevare le interazioni tra le particelle di materia oscura e una vasca di elio superfluido, sarebbe sensibile alle particelle in un intervallo di massa molto più basso di quanto sia possibile con uno qualsiasi degli esperimenti su larga scala eseguiti finora, dicono i ricercatori.

"La maggior parte delle ricerche sulla materia oscura su larga scala finora hanno cercato particelle con una massa compresa tra 10 e 10, 000 volte la massa di un protone, " ha detto Derek Stein, un fisico che è stato coautore del lavoro con due dei suoi colleghi della Brown University, Humphrey Maris e George Seidel. "Sotto 10 masse di protoni, questi esperimenti iniziano a perdere la loro sensibilità. Quello che vogliamo fare è estendere la sensibilità in massa di tre o quattro ordini di grandezza ed esplorare la possibilità di particelle di materia oscura che sono molto più leggere".

Un articolo che descrive il nuovo rivelatore è pubblicato in Lettere di revisione fisica .

Materia mancante

Sebbene non sia stato ancora rilevato direttamente, i fisici sono abbastanza certi che la materia oscura debba esistere in qualche forma. Il modo in cui le galassie ruotano e il grado in cui la luce si piega mentre viaggia attraverso l'universo suggerisce che ci sia una sorta di cosa invisibile che proietta la sua gravità.

L'idea principale per la natura della materia oscura è che sia una specie di particella, anche se interagisce molto raramente con la materia ordinaria. Ma nessuno è abbastanza sicuro di quali possano essere le proprietà di una particella di materia oscura perché nessuno ha ancora registrato una di quelle rare interazioni.

C'è stata una buona ragione, Stein dice, per cercare nell'intervallo di massa in cui la maggior parte degli esperimenti sulla materia oscura si sono concentrati finora. Una particella in quell'intervallo di massa legherebbe un sacco di questioni teoriche in sospeso. Per esempio, la teoria della supersimmetria - l'idea che tutte le particelle comuni che conosciamo e amiamo abbiano particelle partner nascoste - prevede candidati alla materia oscura dell'ordine di centinaia di masse di protoni.

Ma la mancata presentazione di quelle particelle negli esperimenti finora ha portato alcuni fisici a pensare a come guardare altrove. Ciò ha portato i teorici a proporre modelli in cui la materia oscura avrebbe una massa molto più bassa.

Un nuovo approccio

La strategia di rilevamento che i ricercatori di Brown hanno escogitato prevede una vasca di elio superfluido. L'idea è che le particelle di materia oscura che passano attraverso la vasca dovrebbero, in rarissime occasioni, sbattere contro il nucleo di un atomo di elio. Quella collisione produrrebbe fononi e rotoni, minuscole eccitazioni approssimativamente simili alle onde sonore, che si propagano senza perdita di energia cinetica all'interno del superfluido. Quando queste eccitazioni raggiungono la superficie del fluido, causeranno il rilascio di atomi di elio in uno spazio vuoto sopra la superficie. Il rilevamento di quegli atomi rilasciati sarebbe il segnale che un'interazione con la materia oscura ha avuto luogo nella vasca.

"L'ultimo pezzo è la parte difficile, " disse Maris, che ha lavorato su schemi di rilevamento simili basati sull'elio per altre particelle come i neutrini solari. La collisione di una particella di materia oscura di piccola massa potrebbe provocare il rilascio di un solo atomo dalla superficie. Quel singolo atomo trasporterebbe solo circa un millielettronvolt di energia, rendendo praticamente impossibile il rilevamento con qualsiasi mezzo tradizionale. La novità di questo nuovo schema di rilevamento è un mezzo per amplificare quel minuscolo, firma energetica di un singolo atomo.

Funziona generando un campo elettrico nello spazio vuoto sopra il liquido utilizzando una serie di piccoli, perni metallici caricati positivamente. Quando un atomo rilasciato dalla superficie dell'elio si avvicina a uno spillo, la punta carica positivamente gli ruberà un elettrone, creando uno ione elio caricato positivamente. Quello ione positivo appena creato sarebbe nelle immediate vicinanze del pin caricato positivamente, e perché cariche simili si respingono, lo ione volerà via con energia sufficiente per essere facilmente rilevabile da un calorimetro standard, un dispositivo che rileva un cambiamento di temperatura quando una particella lo investe.

"Se mettiamo 10, 000 volt su quei piccoli pin, allora quello ione volerà via con 10, 000 volt su di esso, "Ha detto Maris. "Quindi è questa caratteristica di ionizzazione che ci offre un nuovo modo per rilevare solo il singolo atomo di elio che potrebbe essere associato a un'interazione con la materia oscura".

Sensibile a massa ridotta

Questo nuovo tipo di rivelatore non sarebbe il primo a utilizzare l'idea della vasca di gas liquido. L'esperimento Large Underground Xenon (LUX) recentemente completato e il suo successore, LUX-ZEPLIN, entrambi usano vasche di gas xeno. L'utilizzo dell'elio fornisce invece un importante vantaggio nella ricerca di particelle con massa inferiore, dicono i ricercatori.

Affinché una collisione sia rilevabile, la particella in arrivo e i nuclei atomici bersaglio devono essere di massa compatibile. Se la particella in arrivo ha una massa molto più piccola dei nuclei bersaglio, qualsiasi collisione farebbe semplicemente rimbalzare la particella senza lasciare traccia. Poiché LUX e L-Z sono destinati al rilevamento di particelle con massa maggiore di cinque volte quella di un protone, hanno usato lo xeno, che ha un nucleo di circa 100 masse di protoni. L'elio ha una massa nucleare solo quattro volte quella di un protone, creando un bersaglio più compatibile per le particelle con una massa molto inferiore.

Ma ancora più importante del bersaglio luminoso, dicono i ricercatori, è la capacità del nuovo schema di rilevare un solo atomo evaporato dalla superficie dell'elio. Questo tipo di sensibilità consentirebbe al dispositivo di rilevare le minuscole quantità di energia depositate nel rivelatore da particelle con masse molto piccole. Il team Brown pensa che il suo dispositivo sarebbe sensibile a masse fino a circa il doppio della massa di un elettrone, circa 1, 000 a 10, 000 volte più leggere delle particelle rilevabili finora negli esperimenti sulla materia oscura su larga scala.

Stein afferma che i primi passi per realizzare effettivamente un tale rivelatore saranno esperimenti fondamentali per comprendere meglio gli aspetti di ciò che sta accadendo nell'elio superfluido e le dinamiche precise dello schema di ionizzazione.

"Da quegli esperimenti fondamentali, "Stein dice, "realizziamo progetti per un esperimento sulla materia oscura più grande e completo".