Nella ricerca dei ricercatori di prove della materia oscura, il fisico Andrea Pocar dell'Università del Massachusetts Amherst ei suoi studenti hanno svolto un ruolo importante nella progettazione e costruzione di una parte fondamentale del rivelatore a base di argon DarkSide-50 situato nel sottosuolo del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia.

Questa settimana, scienziati di tutto il mondo che si sono riuniti presso l'Università della California, Los Angeles, al Dark Matter 2018 Symposium sono venuti a conoscenza di nuovi risultati nella ricerca di prove del materiale elusivo in Weakly Interacting Massive Particles (WIMP) da parte del rivelatore DarkSide-50. Le WIMP sono state candidate particelle di materia oscura per decenni, ma fino ad oggi non ne è stata trovata nessuna.

Pocar afferma che il rivelatore DarkSide ha dimostrato il grande potenziale della tecnologia dell'argon liquido nella ricerca dei cosiddetti "Wimp pesanti, " quelli con massa di circa 100 a 10, 000 volte la massa di un protone. Ulteriore, Aggiunge, la tecnica dell'argon a doppia fase utilizzata dal rivelatore DarkSide-50 ha un potere inaspettato nella ricerca di "Wimp a bassa massa, " con solo 1-10 volte la massa di un protone.

Aggiunge, "Il componente che abbiamo realizzato a UMass Amherst, con studenti universitari molto dedicati coinvolti fin dall'inizio, sta funzionando molto bene. È emozionante questa settimana vedere il primo rapporto del nostro successo che esce al simposio." La sua studentessa laureata Alissa Monte, che ha studiato sfondi relativi alla superficie e al radon utilizzando DarkSide-50, presenterà un poster alla riunione dell'UCLA.

Pocar dice, "C'è una vivace comunità di ricercatori in tutto il mondo che conduce esperimenti in competizione in quest'area WIMP di 'bassa massa'. Negli ultimi due anni abbiamo raccolto dati per una misurazione che non ci aspettavamo di poter fare. A questo punto siamo in una partita in cui non pensavamo di poter partecipare. Riportiamo l'elevata sensibilità che abbiamo raggiunto con lo strumento, che funziona meglio del previsto." La sensibilità si riferisce alla capacità dello strumento di distinguere tra materia oscura e radiazione di fondo.

Materia oscura, Pocar spiega, rappresenta circa il 25% del contenuto energetico dell'universo e sebbene abbia una massa deducibile dagli effetti gravitazionali, i fisici hanno grandi difficoltà a rilevarlo e identificarlo perché difficilmente interagisce, se non del tutto, con la materia "regolare" attraverso altre forze. "La materia oscura non sembra voler interagire molto con la materia che conosciamo, ", osserva il fisico.

Il rilevatore DarkSide-50 utilizza 50 kg (circa 110 libbre) di argon liquido in una vasca, con una piccola sacca di gas argon in alto, Pocar spiega, come obiettivo per rilevare le WIMP. I ricercatori sperano che un WIMP colpisca il nucleo di un atomo di argon nel serbatoio, che poi può essere rilevato dalla ionizzazione prodotta dal rinculo nucleare nel mezzo di argon circostante. Alcuni dei segnali di ionizzazione, proporzionale all'energia depositata all'interno del rivelatore, viene raccolto applicando un campo elettrico al bersaglio, lui spiega.

Nell'argon viene prodotto anche un lampo di luce con ionizzazione, dice Pocar. Per eventi ad alta energia, l'impulso di luce è abbastanza luminoso da essere usato per distinguere la differenza di "firma" tra un rinculo nucleare come quello indotto da un WIMP, e rinculo di elettroni indotti dalla radioattività di fondo o ambientale.

Il laboratorio di Pocar progettato, realizzato e installato uno degli elettrodi che applicano il campo elettrico. Lui dice, "Per le WIMP di piccola massa, la quantità di energia trasmessa al nucleo di argon da un WIMP è incredibilmente piccola. È come colpire una palla da biliardo con una lenta pallina da ping-pong. Ma una cosa fondamentale per noi è che ora con due anni di dati, abbiamo una comprensione squisita del nostro rilevatore e comprendiamo molto bene tutti gli eventi non WIMP. Una volta compreso il rilevatore, puoi applicare tutta quella comprensione in modalità di ricerca, e pianificare gli esperimenti di follow-up".

Cristiano Galbiati, portavoce del progetto DarkSide, detto al simposio di questa settimana, "Questo è il modo migliore per iniziare l'avventura del futuro esperimento DarkSide-20k. I risultati di DarkSide-50 forniscono grande fiducia sulle nostre scelte tecnologiche e sulla capacità di realizzare un avvincente programma di scoperta della materia oscura. Se una tecnologia di rilevamento identificherà mai in modo convincente gli eventi indotti dalla materia oscura, sarà questo."