La ricerca della materia oscura è in espansione. E andare in piccolo.

Sebbene la materia oscura abbondi nell'universo, è di gran lunga la forma di materia più comune, che costituisce circa l'85 percento del totale dell'universo, si nasconde anche in bella vista. Non sappiamo ancora di cosa sia fatto, sebbene possiamo testimoniare la sua attrazione gravitazionale sulla materia conosciuta.

Particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP, sono stati nel cast di probabili sospetti comprendenti la materia oscura, ma non si sono ancora presentati dove gli scienziati li avevano aspettati.

Lanciare tante piccole reti

Quindi gli scienziati stanno ora raddoppiando i loro sforzi progettando nuovi e agili esperimenti che possono cercare la materia oscura in intervalli di massa ed energia delle particelle precedentemente inesplorati, e utilizzando metodi precedentemente non testati. Il nuovo approccio, piuttosto che fare affidamento su "reti" di alcuni grandi esperimenti per cercare di catturare un tipo di materia oscura, è come lanciare molte reti più piccole con maglie molto più fini.

La materia oscura potrebbe essere molto "più leggera, "o minore di massa e minore di energia, di quanto si pensasse in precedenza. Potrebbe essere composto da elementi teorici, particelle ultraleggere simili a onde note come assioni. Potrebbe essere popolato da un regno selvaggio pieno di molte specie di particelle non ancora scoperte. E potrebbe non essere affatto composto da particelle.

Lo slancio è stato costruito per esperimenti di materia oscura a bassa massa, che potrebbe ampliare la nostra attuale comprensione della composizione della materia come incarnata nel Modello Standard della fisica delle particelle, ha osservato Kathryn Zurek, uno scienziato senior e un fisico teorico presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia.

Zurek, che è anche affiliato con l'UC Berkeley, è stato un pioniere nel proporre teorie della materia oscura a bassa massa e possibili modi per rilevarla.

"Quali prove sperimentali abbiamo per la fisica oltre il Modello Standard? La materia oscura è una delle migliori, " ha detto. "Ci sono queste idee teoriche che esistono da circa un decennio, "Zurek ha aggiunto, e i nuovi sviluppi tecnologici, come i nuovi progressi nei sensori quantistici e nei materiali per rilevatori, hanno anche contribuito a dare impulso a nuovi esperimenti.

"Il campo è maturato e sbocciato nell'ultimo decennio. È diventato mainstream:questa non è più la frangia, " ha detto. Le discussioni sulla materia oscura a bassa massa si sono spostate da piccole conferenze e workshop a una componente della strategia generale nella ricerca della materia oscura.

Ha notato che Berkeley Lab e UC Berkeley, con la loro particolare competenza nelle teorie della materia oscura, esperimenti, e rivelatore all'avanguardia e ricerca e sviluppo di obiettivi, sono pronti ad avere un grande impatto in questa area emergente della caccia alla materia oscura.

I punti salienti del rapporto devono cercare la materia oscura "leggera" a bassa massa

La ricerca relativa alla materia oscura di Zurek e altri ricercatori del Berkeley Lab è evidenziata in un rapporto del DOE, "Necessità di ricerca di base per le nuove iniziative di piccoli progetti di materia oscura", basato su un seminario di fisica delle alte energie dell'ottobre 2018 sulla materia oscura. Zurek e Dan McKinsey, uno scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore di fisica all'Università di Berkeley, ha servito come co-responsabili di un gruppo di workshop incentrato sulle tecniche di rilevamento diretto della materia oscura, e questo pannello ha contribuito al rapporto.

Il rapporto propone di concentrarsi su esperimenti su piccola scala, con costi del progetto che vanno da $ 2 milioni a $ 15 milioni, per cercare particelle di materia oscura che hanno una massa inferiore a un protone. I protoni sono particelle subatomiche all'interno di ogni nucleo atomico che pesano ciascuna circa 1, 850 volte più di un elettrone.

Questo nuovo, lo sforzo di ricerca di massa inferiore avrà "l'obiettivo generale di comprendere finalmente la natura della materia oscura dell'universo, " afferma il rapporto.

In uno sforzo correlato, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti quest'anno ha sollecitato proposte per nuovi esperimenti sulla materia oscura, con scadenza 30 maggio, e Berkeley Lab hanno partecipato al processo di proposta, ha detto McKinsey.

"Berkeley è una mecca della materia oscura" che è pronta per partecipare a questa ricerca ampliata, Egli ha detto. McKinsey ha partecipato a grandi esperimenti sulla materia oscura a rilevamento diretto tra cui LUX e LUX-ZEPLIN e sta anche lavorando su tecniche di rilevamento della materia oscura a bassa massa.

3 priorità nella ricerca ampliata

Il rapporto evidenzia tre principali direzioni di ricerca prioritarie nella ricerca di materia oscura a bassa massa che "sono necessarie per raggiungere un'ampia sensibilità e ... per raggiungere diversi traguardi chiave":

1. Creare e rilevare particelle di materia oscura al di sotto della massa del protone e delle forze associate, sfruttando gli acceleratori DOE che producono fasci di particelle energetiche. Tali esperimenti potrebbero potenzialmente aiutarci a comprendere le origini della materia oscura ed esplorare le sue interazioni con la materia ordinaria, afferma il rapporto.

2. Rileva le singole particelle di materia oscura galattica, fino a una massa che misura circa 1 trilione di volte più piccola di quella di un protone, attraverso interazioni con avanzate, rivelatori ultrasensibili. Il rapporto rileva che esistono già aree sperimentali sotterranee e attrezzature che potrebbero essere utilizzate a sostegno di questi nuovi esperimenti.

3. Rileva le onde galattiche della materia oscura usando avanzate, rivelatori ultrasensibili con enfasi sul cosiddetto assone QCD (cromodinamica quantistica). I progressi nella teoria e nella tecnologia ora consentono agli scienziati di sondare l'esistenza di questo tipo di materia oscura basata su assioni attraverso l'intero spettro della sua prevista gamma di massa ultraleggera, fornendo "uno sguardo ai primissimi momenti dell'origine dell'universo e delle leggi della natura a energie e temperature ultraelevate, " afferma il rapporto.

questa assione, se esiste, potrebbe anche aiutare a spiegare le proprietà associate alla forza forte dell'universo, che è responsabile di tenere insieme la maggior parte della materia:lega insieme le particelle nel nucleo di un atomo, Per esempio.

Le ricerche per la forma tradizionale WIMP della materia oscura sono aumentate in sensibilità di circa 1, 000 volte negli ultimi dieci anni.

Gli scienziati di Berkeley stanno costruendo prototipi di esperimenti

I ricercatori del Berkeley Lab e dell'UC Berkeley si concentreranno inizialmente sui cristalli di elio liquido e arseniuro di gallio nella ricerca di interazioni tra particelle di materia oscura a bassa massa in esperimenti di laboratorio prototipo ora in fase di sviluppo presso l'UC Berkeley.

"Anche lo sviluppo dei materiali fa parte della storia, e anche pensando a diversi tipi di eccitazione" nei materiali dei rivelatori, ha detto Zurek.

Oltre all'elio liquido e all'arseniuro di gallio, i materiali che potrebbero essere utilizzati per rilevare le particelle di materia oscura sono diversi, "e le strutture al loro interno ti permetteranno di accoppiarti a diversi candidati della materia oscura, " ha detto. "Penso che la diversità di destinazione sia estremamente importante".

L'obiettivo di questi esperimenti, che dovrebbero iniziare nei prossimi mesi, è sviluppare la tecnologia e le tecniche in modo che possano essere scalate per esperimenti sotterranei in altri siti che forniranno una schermatura aggiuntiva dalla pioggia naturale di "rumore" di particelle che piove dal sole e da altre fonti.

McKinsey, che sta lavorando agli esperimenti sui prototipi all'Università di Berkeley, ha detto che l'esperimento dell'elio liquido cercherà qualsiasi segno di particelle di materia oscura che causano il rinculo nucleare, un processo attraverso il quale un'interazione di particelle dà al nucleo di un atomo una leggera scossa che i ricercatori sperano possa essere amplificata e rilevata.

Uno degli esperimenti cerca di misurare le eccitazioni dalle interazioni della materia oscura che portano all'evaporazione misurabile di un singolo atomo di elio.

"Se una particella di materia oscura si disperde (su elio liquido), ottieni una macchia di eccitazione, "Ha detto McKinsey. "Potresti ottenere milioni di eccitazioni in superficie, ricevi un grande segnale di calore".

Ha notato che gli atomi nell'elio liquido e nei cristalli di arseniuro di gallio hanno proprietà che consentono loro di illuminarsi o "scintillare" nelle interazioni delle particelle. I ricercatori utilizzeranno inizialmente rilevatori di luce più convenzionali, noti come tubi fotomoltiplicatori, e poi passare a più sensibile, rivelatori di nuova generazione.

"Fondamentalmente, nel prossimo anno studieremo segnali luminosi e segnali termici, " ha detto McKinsey. "Il rapporto tra calore e luce ci darà un'idea di cosa sia ogni evento".

Queste prime indagini determineranno se le tecniche testate possono essere efficaci nel rilevamento della materia oscura a bassa massa in altri siti che forniscono un ambiente a basso rumore. "Pensiamo che questo ci permetterà di sondare soglie energetiche molto più basse, " Egli ha detto.

Nuove idee rese possibili dalla nuova tecnologia

Il rapporto rileva anche un'ampia varietà di altri approcci alla ricerca di materia oscura a bassa massa.

"Ci sono tonnellate di diversi, tecnologie interessanti là fuori" anche oltre a quelle trattate nel rapporto che utilizzano o propongono modi diversi per trovare materia oscura a bassa massa, ha detto McKinsey. Alcuni di essi si basano sulla misurazione di una singola particella di luce, chiamato fotone, mentre altri si basano su segnali provenienti da un singolo nucleo atomico o da un elettrone, o una leggerissima vibrazione collettiva negli atomi nota come fonone.

Invece di classificare le proposte esistenti, il rapporto ha lo scopo di "congiungere la giustificazione scientifica alle possibilità e agli aspetti pratici. Abbiamo motivazione perché abbiamo idee e abbiamo la tecnologia. Questo è ciò che è eccitante".

Ha aggiunto, "La fisica è l'arte del possibile."