La materia oscura ha finora sfidato ogni tipo di rivelatore progettato per trovarla. A causa della sua enorme impronta gravitazionale nello spazio, sappiamo che la materia oscura deve costituire circa l'85% della massa totale dell'universo, ma non sappiamo ancora di cosa sia fatto.

Diversi grandi esperimenti che cacciano la materia oscura hanno cercato segni di particelle di materia oscura che colpiscono i nuclei atomici attraverso un processo noto come dispersione, che possono produrre piccoli lampi di luce e altri segnali in queste interazioni.

Ora un nuovo studio, guidato da ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley del Dipartimento dell'energia, suggerisce nuovi percorsi per catturare i segnali delle particelle di materia oscura che hanno la loro energia assorbita da questi nuclei.

Il processo di assorbimento potrebbe dare a un atomo affetto un calcio che gli fa espellere un accendino, particella energizzata come un elettrone, e potrebbe produrre altri tipi di segnali, pure, a seconda della natura della particella di materia oscura.

Lo studio si concentra principalmente su quei casi in cui un elettrone o un neutrino viene espulso quando la particella di materia oscura colpisce il nucleo di un atomo.

Pubblicato il 4 maggio in Lettere di revisione fisica , lo studio propone che alcuni esperimenti esistenti, compresi quelli che cercano particelle di materia oscura e processi legati ai neutrini, spettrali, particelle rilevabili che possono attraversare la maggior parte della materia e avere la capacità di trasformarsi in forme diverse, possono essere facilmente ampliate per cercare anche questi tipi di segnali rivelatori di materia oscura correlati all'assorbimento.

Anche, i ricercatori propongono che nuove ricerche nei dati del rilevatore di particelle raccolti in precedenza potrebbero rivelare questi segnali di materia oscura trascurati.

"In questo campo, abbiamo avuto una certa idea in mente su candidati ben motivati ​​per la materia oscura, come il WIMP, " o particella massiccia che interagisce debolmente, ha detto Jeff Dror, l'autore principale dello studio che è un ricercatore post-dottorato nel Theory Group del Berkeley Lab e nel Berkeley Center for Theoretical Physics dell'UC Berkeley.

La materia oscura spinge ai confini delle leggi fondamentali conosciute della fisica, incapsulato nel Modello Standard della fisica delle particelle, e "Il paradigma WIMP è molto facile da integrare nel modello standard, ma non lo troviamo da molto tempo, " osservò Dror.

Così, i fisici stanno ora considerando altri luoghi in cui le particelle di materia oscura potrebbero nascondersi, e altre possibilità di particelle come i "neutrini sterili" teorizzati che potrebbero anche essere introdotti nella famiglia di particelle note come fermioni, che include elettroni, protoni, e neutrini.

"È facile, con piccole modifiche al paradigma WIMP, per accogliere un tipo completamente diverso di segnale, "Dor ha detto. "Puoi fare un'enorme quantità di progressi con un costo molto basso se fai un passo indietro nel modo in cui abbiamo pensato alla materia oscura."

Robert McGehee, uno studente laureato dell'Università di Berkeley, e Gilly Elor dell'Università di Washington erano coautori dello studio.

I ricercatori notano che la gamma di nuovi segnali su cui si stanno concentrando apre un "oceano" di possibilità di particelle di materia oscura:vale a dire fermioni non ancora scoperti con masse più leggere della gamma tipica considerata per le WIMP. Potrebbero essere cugini stretti di neutrini sterili, Per esempio.

Il team di studio ha considerato i processi di assorbimento noti come "corrente neutra, " in cui i nuclei nel materiale rivelatore rinculo, o essere sobbalzato dalla loro collisione con particelle di materia oscura, produrre firme energetiche distinte che possono essere rilevate dal rivelatore; e anche quelli noti come "corrente carica, " che può produrre più segnali quando una particella di materia oscura colpisce un nucleo, provocando un rinculo e l'espulsione di un elettrone.

Il processo della corrente di carica può anche coinvolgere il decadimento nucleare, in cui altre particelle vengono espulse da un nucleo come una sorta di effetto domino innescato dall'assorbimento di materia oscura.

La ricerca delle firme suggerite dallo studio dei processi di corrente neutra e corrente di carica potrebbe aprire "ordini di grandezza dello spazio dei parametri inesplorato, " notano i ricercatori. Si concentrano sui segnali energetici nel MeV, il che significa milioni di elettronvolt. Un elettronvolt è una misura dell'energia che i fisici usano per descrivere le masse delle particelle. Nel frattempo, le tipiche ricerche WIMP sono ora sensibili alle interazioni delle particelle con energie nell'intervallo keV, o migliaia di elettronvolt.

Per le varie interazioni tra particelle che i ricercatori hanno esplorato nello studio, "Puoi prevedere qual è lo spettro energetico della particella che esce o il nucleone che sta ricevendo il 'calcio, '" ha detto Dror. Nucleon si riferisce al protone caricato positivamente o al neutrone non caricato che risiede nel nucleo di un atomo e che potrebbe assorbire energia quando colpito da una particella di materia oscura. Questi segnali di assorbimento potrebbero essere più comuni degli altri tipi di segnali che oscurano i rilevatori di materia sono generalmente progettati per trovare, ha aggiunto, semplicemente non lo sappiamo ancora.

Esperimenti che hanno grandi volumi di materiale rivelatore, con elevata sensibilità e bassissimo "rumore di fondo", " o interferenze indesiderate da altri tipi di segnali di particelle, sono particolarmente adatti per questa ricerca estesa di diversi tipi di segnali di materia oscura, disse Dror.

LUX-ZEPLIN (LZ), Per esempio, un progetto di ricerca sulla materia oscura ultrasensibile condotto dal Berkeley Lab in costruzione in un'ex miniera del South Dakota, è un possibile candidato in quanto utilizzerà circa 10 tonnellate di xeno liquido come mezzo di rilevamento ed è progettato per essere fortemente schermato da altri tipi di rumore particellare.

Già, il team di ricercatori che partecipano allo studio ha lavorato con il team che gestisce l'Enriched Xenon Observatory (EXO), un esperimento sotterraneo alla ricerca di un processo teorizzato noto come decadimento doppio beta senza neutrini utilizzando xeno liquido, per aprire la sua ricerca a questi altri tipi di segnali di materia oscura.

E per tipi simili di esperimenti che sono attivi e in esecuzione, "I dati sono già praticamente seduti lì. È solo questione di guardarli, " disse Dro.

I ricercatori nominano una lunga lista di esperimenti candidati in tutto il mondo che potrebbero avere dati rilevanti e capacità di ricerca che potrebbero essere utilizzate per trovare i loro segnali target, tra cui:CUORE, LZ predecessore LUX, PandaX-II, XENO1T, KamLAND-Zen, Super Kamiokande, CDMS-II, Dark Side-50, e Borexino tra loro.

Come passo successivo, il team di ricerca spera di lavorare con collaborazioni sperimentali per analizzare i dati esistenti, e per scoprire se i parametri di ricerca degli esperimenti attivi possono essere regolati per cercare altri segnali.

"Penso che la comunità stia iniziando a diventare abbastanza consapevole di questo, "Drore ha detto, aggiungendo, "Una delle domande più grandi nel campo è la natura della materia oscura. Non sappiamo di cosa sia fatta, ma rispondere a queste domande potrebbe essere alla nostra portata nel prossimo futuro. Per me, questa è un'enorme motivazione per continuare a spingere:c'è una nuova fisica là fuori."