Un nuovo progetto di rivelatore di particelle proposto al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti potrebbe ampliare notevolmente la ricerca della materia oscura, che costituisce l'85 percento della massa totale dell'universo, ma non sappiamo di cosa sia fatta di—in un regno inesplorato.

Mentre diversi grandi esperimenti di fisica hanno preso di mira particelle di materia oscura teorizzate chiamate WIMP, o particelle massicce che interagiscono debolmente, il nuovo design del rivelatore potrebbe scansionare segnali di materia oscura a energie migliaia di volte inferiori a quelle misurabili dai rivelatori WIMP più convenzionali.

La tecnologia del rivelatore ultrasensibile incorpora cristalli di arseniuro di gallio che includono anche gli elementi silicio e boro. Questa combinazione di elementi fa scintillare i cristalli, o accendi, nelle interazioni tra particelle che allontanano gli elettroni.

Questa proprietà di scintillazione dell'arseniuro di gallio è stata in gran parte inesplorata, disse Stefano Derenzo, un fisico senior della divisione di biofisica molecolare e bioimmagini integrate presso il Berkeley Lab e autore principale di uno studio pubblicato il 20 marzo nel Rivista di fisica applicata che dettaglia le proprietà del materiale.

"È difficile immaginare un materiale migliore per la ricerca in questo particolare intervallo di massa, "Derenzo ha detto che si misura in MeV, o milioni di elettronvolt. "Segna tutte le caselle. Siamo sempre preoccupati per un 'Gotcha!' o showstopper. Ma ho provato a pensare a un modo in cui questo materiale rivelatore può fallire e io non posso."

La svolta è arrivata da Edith Bourret, uno scienziato senior dello staff della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab che decenni prima aveva studiato il potenziale uso dell'arseniuro di gallio nei circuiti. Gli diede un campione di arseniuro di gallio da questo lavoro precedente che presentava concentrazioni aggiunte, o "dopanti, "di silicio e boro.

Derenzo aveva precedentemente misurato alcune prestazioni poco brillanti in un campione di arseniuro di gallio di qualità commerciale. Ma il campione che Bourret gli porse mostrava una luminosità scintillante che era cinque volte più brillante rispetto al materiale commerciale, a causa delle concentrazioni aggiunte, o "dopanti, " di silicio e boro che hanno impregnato il materiale di proprietà nuove e migliorate. Questa scintillazione migliorata significava che era molto più sensibile alle eccitazioni elettroniche.

"Se non mi avesse consegnato questo campione di più di 20 anni fa, Non credo che l'avrei perseguito, " disse Derenzo. "Quando questo materiale viene drogato con silicio e boro, questo risulta essere molto importante e, accidentalmente, un'ottima scelta di droganti."

Derenzo ha notato che ha avuto un interesse di lunga data per gli scintillatori che sono anche semiconduttori, poiché questa classe di materiali può produrre scintillazione ultraveloce utile per applicazioni di imaging medico come le scansioni PET (tomografia a emissione di positroni) e TC (tomografia computerizzata), Per esempio, così come per esperimenti di fisica ad alta energia e rilevamento di radiazioni.

I cristalli di arseniuro di gallio drogato che ha studiato sembrano adatti per rivelatori di particelle ad alta sensibilità perché i cristalli estremamente puri possono essere coltivati ​​commercialmente in grandi dimensioni, i cristalli mostrano un'elevata luminosità in risposta agli elettroni allontanati dagli atomi nella struttura atomica dei cristalli, e non sembrano essere ostacolati dai tipici effetti indesiderati come il bagliore residuo del segnale e i segnali di corrente oscura.

Alcuni dei più grandi rilevatori di caccia alle WIMP, come quello del progetto LUX-ZEPLIN condotto da Berkeley Lab, ora in costruzione in South Dakota, e il suo predecessore, l'esperimento LUX - incorporare un rivelatore a scintillazione liquida. Un grande serbatoio di xeno liquido è circondato da sensori per misurare qualsiasi segnale luminoso ed elettrico previsto dall'interazione di una particella di materia oscura con il nucleo di un atomo di xeno. Questo tipo di interazione è noto come rinculo nucleare.

In contrasto, il rivelatore di arseniuro di gallio a base di cristalli è progettato per essere sensibile alle energie più leggere associate ai rinculo degli elettroni, gli elettroni espulsi dagli atomi dalla loro interazione con le particelle di materia oscura. Come con LUX e LUX-ZEPLIN, il rivelatore di arseniuro di gallio dovrebbe essere posizionato in profondità nel sottosuolo per schermarlo dal tipico bagno di particelle che piovono sulla Terra.

Dovrebbe anche essere accoppiato a sensori di luce in grado di rilevare i pochissimi fotoni infrarossi (particelle di luce) attesi da un'interazione di particelle di materia oscura a bassa massa, e il rivelatore dovrebbe essere raffreddato a temperature criogeniche. I droganti di silicio e boro potrebbero anche essere ottimizzati per migliorare la sensibilità e le prestazioni complessive dei rivelatori.

Perché la composizione della materia oscura è ancora un mistero:potrebbe essere composta da una o più particelle di massa diversa, Per esempio, o potrebbe non essere affatto composto da particelle—Derenzo ha osservato che i rivelatori di arseniuro di gallio forniscono solo una finestra sui possibili nascondigli delle particelle di materia oscura.

Mentre originariamente si pensava che le WIMP abitassero un intervallo di massa misurato in miliardi di elettronvolt, o GeV, la tecnologia del rilevatore di arseniuro di gallio è adatta per rilevare particelle nell'intervallo di massa misurato in milioni di elettronvolt, o MeV.

I fisici del Berkeley Lab stanno proponendo anche altri tipi di rivelatori per espandere la ricerca sulla materia oscura, inclusa una configurazione che utilizza uno stato esotico di elio refrigerato noto come elio superfluido per rilevare direttamente le cosiddette particelle di "materia oscura leggera" nell'intervallo di massa di migliaia di elettronvolt (keV).

"L'elio superfluido è scientificamente complementare all'arseniuro di gallio poiché l'elio è più sensibile alle interazioni della materia oscura con i nuclei atomici, mentre l'arseniuro di gallio è sensibile alla materia oscura che interagisce con gli elettroni, " ha detto Dan McKinsey, uno scienziato senior della facoltà presso il Berkeley Lab e professore di fisica presso l'UC Berkeley, che fa parte della collaborazione LZ e sta conducendo attività di ricerca e sviluppo sul rilevamento della materia oscura utilizzando l'elio superfluido.

"Non sappiamo se la materia oscura interagisce più fortemente con i nuclei o gli elettroni, questo dipende dalla natura specifica della materia oscura, che è finora sconosciuto."

Un altro tentativo impiegherebbe cristalli di arseniuro di gallio in un approccio diverso alla ricerca della materia oscura leggera basata sulle vibrazioni nella struttura atomica dei cristalli, noti come fononi ottici. Questa configurazione potrebbe mirare a "fotoni chiari scuri, " che sono teorizzate particelle di piccola massa che servirebbero da portatore di una forza tra le particelle di materia oscura, analoga al fotone convenzionale che trasporta la forza elettromagnetica.

Ancora un altro esperimento di nuova generazione, noto come esperimento Super Cryogenic Dark Matter Search, o SuperCDMS SNOLAB, utilizzerà cristalli di silicio e germanio per cacciare WIMP a bassa massa.

"Questi sarebbero esperimenti complementari, "Derenzo ha detto dei molti approcci. "Dobbiamo guardare a tutti i possibili intervalli di massa. Non vuoi essere ingannato. Non puoi escludere un intervallo di massa se non guardi lì."