Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha approvato il finanziamento e l'inizio della costruzione dell'esperimento SuperCDMS SNOLAB, che inizierà le operazioni nei primi anni 2020 per cacciare ipotetiche particelle di materia oscura chiamate particelle massicce a interazione debole, o WIMP. L'esperimento sarà almeno 50 volte più sensibile del suo predecessore, esplorando proprietà WIMP che non possono essere sondate da altri esperimenti e offrendo ai ricercatori un nuovo potente strumento per comprendere uno dei più grandi misteri della fisica moderna.

Lo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE sta gestendo il progetto di costruzione della collaborazione internazionale SuperCDMS di 111 membri di 26 istituzioni, che si appresta a fare ricerca con l'esperimento.

"Comprendere la materia oscura è uno dei temi di ricerca più scottanti - allo SLAC e in tutto il mondo, " ha detto JoAnne Hewett, capo della direzione di Fisica Fondamentale dello SLAC e capo della ricerca del laboratorio. "Siamo entusiasti di guidare il progetto e lavorare con i nostri partner per costruire questo esperimento sulla materia oscura di prossima generazione".

Con le approvazioni del DOE, note come Decisioni Critiche 2 e 3, i ricercatori possono ora costruire l'esperimento. Il DOE Office of Science contribuirà con 19 milioni di dollari allo sforzo, unendo le forze con la National Science Foundation ($ 12 milioni) e la Canada Foundation for Innovation ($ 3 milioni).

"Il nostro esperimento sarà il più sensibile al mondo per WIMP relativamente leggeri - in un intervallo di massa da una frazione della massa protonica a circa 10 masse protoniche, " ha detto Richard Partridge, capo del gruppo SuperCDMS presso il Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), un istituto congiunto di SLAC e Stanford University. "Questa sensibilità senza pari creerà opportunità entusiasmanti per esplorare nuovi territori nella ricerca sulla materia oscura".

Una ricerca ultrafredda 6, 800 piedi sottoterra

Gli scienziati sanno che la materia visibile nell'universo rappresenta solo il 15% di tutta la materia. Il resto è una sostanza misteriosa, chiamata materia oscura. A causa della sua attrazione gravitazionale sulla materia regolare, la materia oscura è un fattore chiave per l'evoluzione dell'universo, influenzando la formazione di galassie come la nostra Via Lattea. È quindi fondamentale per la nostra stessa esistenza.

Ma gli scienziati devono ancora scoprire di cosa sia fatta la materia oscura. Credono che possa essere composto da particelle di materia oscura, e le WIMP sono i migliori contendenti. Se queste particelle esistono, avrebbero a malapena interagito con il loro ambiente e avrebbero volato attraverso la materia normale intatta. Però, ogni tanto, potrebbero scontrarsi con un atomo del nostro mondo visibile, e i ricercatori sulla materia oscura stanno cercando queste rare interazioni.

Nell'esperimento SuperCDMS SNOLAB, la ricerca verrà effettuata utilizzando cristalli di silicio e germanio, in cui le collisioni innescherebbero minuscole vibrazioni. Però, per misurare le oscillazioni atomiche, i cristalli devono essere raffreddati a meno di meno 459,6 gradi Fahrenheit, una frazione di grado sopra la temperatura dello zero assoluto. Queste condizioni ultrafredde danno il nome all'esperimento:Cryogenic Dark Matter Search, o CDMS. Il prefisso "Super" indica una maggiore sensibilità rispetto alle versioni precedenti dell'esperimento.

Le collisioni produrrebbero anche coppie di elettroni e carenze di elettroni che si muovono attraverso i cristalli, innescando vibrazioni atomiche aggiuntive che amplificano il segnale dalla collisione della materia oscura. L'esperimento sarà in grado di misurare queste "impronte digitali" lasciate dalla materia oscura con sofisticate elettroniche superconduttrici.

L'esperimento sarà assemblato e gestito presso il laboratorio canadese SNOLAB - 6, 800 piedi sottoterra all'interno di una miniera di nichel vicino alla città di Sudbury. È il laboratorio sotterraneo più profondo del Nord America. Lì sarà protetto da particelle ad alta energia, chiamata radiazione cosmica, che possono creare segnali di sottofondo indesiderati.

"SNOLAB è entusiasta di dare il benvenuto alla collaborazione SuperCDMS SNOLAB nel laboratorio sotterraneo, "ha detto Kerry Loken, Responsabile del progetto SNOLAB. "Non vediamo l'ora di una grande partnership e di supportare questa scienza leader a livello mondiale".

Negli ultimi mesi, un prototipo di rivelatore è stato testato con successo allo SLAC. "Questi test sono stati un'importante dimostrazione del fatto che siamo in grado di costruire il rivelatore vero e proprio con una risoluzione energetica sufficientemente elevata, così come l'elettronica del rivelatore con un rumore sufficientemente basso per raggiungere i nostri obiettivi di ricerca, " ha detto Paul Brink di KIPAC, che sovrintende alla fabbricazione del rivelatore a Stanford.

Insieme ad altre sette istituzioni che collaborano, SLAC fornirà il fulcro dell'esperimento di quattro torri rivelatori, ciascuno contenente sei cristalli a forma di dischetti da hockey di grandi dimensioni. La prima torre potrebbe essere inviata a SNOLAB entro la fine del 2018.

"Le torri di rilevamento sono la parte tecnologicamente più impegnativa dell'esperimento, spingendo le frontiere della nostra comprensione dei dispositivi a bassa temperatura e della lettura superconduttiva, " disse Bernard Sadoulet, un collaboratore dell'Università della California, Berkeley.

Una forte collaborazione per una scienza straordinaria

Oltre allo SLAC, Altri due laboratori nazionali sono coinvolti nel progetto. Il Fermi National Accelerator Laboratory sta lavorando all'intricata infrastruttura di schermatura e criogenia dell'esperimento, e il Pacific Northwest National Laboratory sta aiutando a capire i segnali di fondo nell'esperimento, una sfida importante per il rilevamento di segnali WIMP deboli.

Anche un certo numero di università statunitensi e canadesi svolgono un ruolo chiave nell'esperimento, lavorando su attività che vanno dalla fabbricazione e test del rivelatore all'analisi e simulazione dei dati. Il maggior contributo internazionale viene dal Canada e comprende l'infrastruttura di ricerca presso SNOLAB.

"Siamo fortunati ad avere una fitta rete di forti partner di collaborazione, fondamentale per il nostro successo, " ha detto Blas Cabrera di KIPAC, che ha diretto il progetto attraverso la pietra miliare dell'approvazione del CD-2/3. "Lo stesso vale per l'eccezionale supporto che stiamo ricevendo dalle agenzie di finanziamento negli Stati Uniti e in Canada".

Dan Bauer del Fermilab, portavoce della collaborazione SuperCDMS, disse, "Insieme siamo ora pronti per costruire un esperimento che cercherà particelle di materia oscura che interagiscono con la materia normale in una regione completamente nuova".

SuperCDMS SNOLAB sarà l'ultimo di una serie di esperimenti sulla materia oscura sempre più sensibili. La versione più recente, situato presso la miniera di Soudan in Minnesota, operazioni concluse nel 2015.

"Il progetto ha incorporato le lezioni apprese dai precedenti esperimenti CDMS per migliorare significativamente l'infrastruttura sperimentale e i progetti di rivelatori per l'esperimento, " ha detto Ken Fouts di SLAC, project manager per SuperCDMS SNOLAB. "La combinazione di miglioramenti del design, la posizione profonda e il supporto infrastrutturale fornito da SNOLAB consentiranno all'esperimento di raggiungere il suo pieno potenziale nella ricerca di materia oscura a bassa massa".