In un recente studio, un team di ricercatori ha presentato nuovi vincoli di rilevamento diretto sulla materia oscura da eV a GeV che interagisce con gli elettroni, utilizzando un nuovo prototipo di rivelatore sviluppato come parte del progetto SENSEI (Sub-Electron-Noise Skipper-CCD Experimental Instrument). La collaborazione SENSEI è composta da ricercatori di diverse istituzioni, tra cui il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), Stony Brook University, Università di Tel Aviv e Università dell'Oregon.

"L'obiettivo di SENSEI è cercare la materia oscura nell'intervallo di massa da 1 eV a 1 GeV, cioè molti ordini di grandezza in massa al di sotto del protone, " Rouven Essig, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio e un membro della facoltà della Stony Brook University, ha detto a Phys.org. "Questo può essere fatto cercando le interazioni della materia oscura con gli elettroni. Tuttavia, l'esecuzione di tale ricerca richiede rilevatori ultrasensibili, da quando la materia oscura disperde un elettrone, produce solo una piccola quantità di carica in un rivelatore. SENSEI utilizza dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) che hanno un rumore di lettura estremamente basso, cosiddetti Skipper-CCD."

Gli Skipper-CCD utilizzati da SENSEI sono stati sviluppati nell'ambito di una collaborazione di ricerca e sviluppo tra Fermilab e Berkeley Lab. Negli studi precedenti, il rumore di lettura era un fattore limitante, in quanto limitava l'accuratezza con cui era possibile misurare la carica nei CCD. L'uso di nuovi sensori consente ora ai ricercatori di ottenere una misurazione precisa di questa carica, che a sua volta consente una ricerca di interazioni della materia oscura con gli elettroni a livelli senza precedenti.

Nel loro studio, la Collaborazione SENSEI ha raccolto i dati nella Sala MINOS, una caverna lunga 120 piedi situata a 350 piedi sotto la superficie del campus del Fermilab. La caverna MINOS contiene una versione più piccola del rivelatore MINOS a Soudan, che viene utilizzato per misurare le proprietà dei neutrini.

"Abbiamo preso diversi set di dati con un piccolo, 0,1 grammi, prototipo Skipper-CCD presso la struttura sotterranea MINOS del Fermilab, " ha spiegato Juan Estrada, uno scienziato del Fermilab coinvolto nello studio. "Questo prototipo è stato confezionato e schermato in un recipiente di rame".

I ricercatori hanno effettuato una serie di esperimenti. in primo luogo, leggono lo Skipper CCD accumulando continuamente un'esposizione di 0,177 g/giorno. Sebbene non abbiano osservato eventi che coinvolgono tre o più elettroni, hanno trovato un grande tasso di eventi di fondo a uno e due elettroni. Hanno attribuito questo risultato a eventi spuri indotti dall'amplificatore nella fase di lettura Skipper-CCD.

La Collaborazione SENSEI ha testato anche una seconda strategia, che ha comportato l'acquisizione di cinque serie di dati mentre si spegnevano tutti gli amplificatori e si esponeva lo Skipper CCD per 120k. Successivamente, i ricercatori hanno letto i dati tramite il miglior prototipo di amplificatore a loro disposizione. In questo caso, hanno osservato un tasso di eventi di un elettrone che era quasi 2 ordini di grandezza inferiore al tasso di eventi osservato nel loro esperimento di lettura continua. Di nuovo, non hanno osservato eventi contenenti tre o più elettroni, per un'esposizione di 0,069 g/giorno.

"I nostri dati sono stati in grado di stabilire nuovi vincoli sulla materia oscura, compresi i migliori vincoli sulla diffusione della materia oscura degli elettroni per masse nell'intervallo da 500 keV a 5 MeV, " disse Tien-Tien Yu, un membro della facoltà dell'Università dell'Oregon che ha svolto lo studio. "Questi dati sono stati acquisiti con un prototipo di rilevatore. Uno dei nostri obiettivi principali era migliorare la nostra comprensione del comportamento del rilevatore in modo da essere pronti a raccogliere dati con sensori migliorati in futuro".

La collaborazione SENSEI ha utilizzato i dati raccolti nel suo studio per derivare i vincoli più importanti a livello mondiale sulla diffusione di materia oscura-elettroni (per masse comprese tra 500 keV e 5 MeV), così come sulla materia oscura a fotoni oscuri che viene assorbita dagli elettroni (per un intervallo di masse inferiore a 12,4 eV). Questi risultati potrebbero migliorare la loro comprensione dei rilevatori e, infine, informare la raccolta di dati utilizzando sensori più avanzati.

"Ora stiamo acquistando nuovi, Skipper-CCD migliorati, con cui costruiremo un rivelatore molto più grande, "ha detto Javier Tiffenberg, uno scienziato del Fermilab coinvolto nello studio. "Dopo aver testato i nuovi sensori, prenderemo nuovi dati al Fermilab e allo SNOLAB (Canada) per cercare la materia oscura".

Attualmente, la collaborazione SENSEI sta acquistando circa 100g di nuovi Skipper-CCD ed elettronica personalizzata per un esperimento presso SNOLAB, che dovrebbero essere installati entro la fine dell'anno. Secondo le previsioni dei ricercatori, questi sensori dovrebbero superare significativamente quelli attuali, con prestazioni di rumore migliorate e un tasso di dark-count inferiore.

Tomer Volansky, un membro della facoltà dell'Università di Tel Aviv che fa parte della collaborazione SENSEI, ha dichiarato:"La ricerca risultante esaminerà gli ordini di grandezza del nuovo spazio dei parametri della materia oscura. Siamo molto entusiasti di ciò che ci aspetta".

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