Questa immagine composita del telescopio spaziale Hubble mostra un "anello" spettrale di materia oscura in un ammasso di galassie. Credito:NASA, ESA, MJ Jee e H. Ford (Johns Hopkins University)
Dagli anni '80, i ricercatori hanno condotto esperimenti alla ricerca di particelle che compongono la materia oscura, una sostanza invisibile che permea la nostra galassia e il nostro universo. Materia oscura coniata perché non emana luce, questa sostanza, che costituisce più dell'80% della materia nel nostro universo, ha dimostrato ripetutamente di influenzare la materia ordinaria attraverso la sua gravità. Gli scienziati sanno che è là fuori, ma non sanno cosa sia.
Così i ricercatori del Caltech, guidata da Kathryn Zurek, professore di fisica teorica, sono tornati al tavolo da disegno per pensare a nuove idee. Hanno esaminato la possibilità che la materia oscura sia costituita da particelle "settore nascosto", che sono più leggere delle particelle proposte in precedenza, e potrei, in teoria, essere trovato utilizzando piccoli, dispositivi da tavolo sotterranei. In contrasto, gli scienziati stanno cercando candidati più pesanti per la materia oscura chiamati WIMP (particelle massicce a interazione debole) utilizzando esperimenti su larga scala come XENON, che è installato sottoterra in un 70, Serbatoio d'acqua da 000 galloni in Italia.
"La materia oscura scorre sempre attraverso di noi, anche in questa stanza" dice Zurek, che per primo ha proposto le particelle del settore nascosto oltre un decennio fa. "Mentre ci muoviamo intorno al centro della galassia, questo vento costante di materia oscura passa per lo più inosservato. Ma possiamo ancora approfittare di quella fonte di materia oscura, e progettare nuovi modi per cercare rare interazioni tra il vento della materia oscura e il rivelatore".
In un nuovo articolo accettato per la pubblicazione sulla rivista Lettere di revisione fisica , i fisici delineano come le particelle di materia oscura più leggere potrebbero essere rilevate tramite un tipo di quasiparticella nota come magnon. Una quasiparticella è un fenomeno emergente che si verifica quando un solido si comporta come se contenesse particelle debolmente interagenti. I magnoni sono un tipo di quasiparticella in cui gli spin degli elettroni, che agiscono come piccoli magneti, sono eccitati dalla collettività. Nell'idea dei ricercatori per un esperimento da tavolo, un materiale magnetico cristallizzato verrebbe utilizzato per cercare segni di magnon eccitati generati dalla materia oscura.
"Se le particelle di materia oscura sono più leggere del protone, diventa molto difficile rilevare il loro segnale con mezzi convenzionali, " dice l'autore dello studio Zhengkang (Kevin) Zhang, uno studioso post-dottorato al Caltech. "Ma, secondo molti modelli ben motivati, soprattutto quelli che coinvolgono settori nascosti, le particelle di materia oscura possono accoppiarsi agli spin degli elettroni, tale che una volta colpito il materiale, indurranno eccitazioni di spin, o magnon. Se riduciamo il rumore di fondo raffreddando l'apparecchiatura e spostandola sottoterra, potremmo sperare di rilevare i magnon generati esclusivamente dalla materia oscura e non dalla materia ordinaria".
Tale esperimento è solo teorico a questo punto, ma potrebbe eventualmente avvenire utilizzando piccoli dispositivi alloggiati nel sottosuolo, probabilmente in una miniera, dove le influenze esterne di altre particelle, come quelli dei raggi cosmici, può essere ridotto al minimo.
Un segno rivelatore di un rilevamento di materia oscura negli esperimenti da tavolo sarebbero le modifiche al segnale che dipendono dall'ora del giorno. Ciò è dovuto al fatto che i cristalli magnetici che verrebbero utilizzati per rilevare la materia oscura possono essere anisotropi, il che significa che gli atomi sono naturalmente disposti in modo tale che tendono ad interagire con la materia oscura più fortemente quando la materia oscura arriva da determinate direzioni.
"Mentre la Terra si muove attraverso l'alone di materia oscura galattica, sente il vento della materia oscura che soffia dalla direzione in cui si sta muovendo il pianeta. Un rivelatore fissato in una certa posizione sulla Terra ruota con il pianeta, così il vento della materia oscura lo colpisce da direzioni diverse in momenti diversi della giornata, dire, a volte dall'alto, a volte di lato, "dice Zhang.
"Durante il giorno, Per esempio, potresti avere un tasso di rilevamento più alto quando la materia oscura proviene dall'alto che di lato. Se l'hai visto, sarebbe piuttosto spettacolare e un'indicazione molto forte che stavi vedendo la materia oscura".
I ricercatori hanno altre idee su come la materia oscura possa rivelarsi, oltre che tramite magnon. Hanno proposto che le particelle di materia oscura più leggere possano essere rilevate tramite fotoni e con un altro tipo di quasiparticella chiamata fonone, che è causato dalle vibrazioni in un reticolo cristallino. Esperimenti preliminari basati su fotoni e fononi sono in corso alla UC Berkeley, dove il team aveva sede prima che Zurek si unisse alla facoltà di Caltech nel 2019. I ricercatori affermano che l'uso di queste molteplici strategie per cercare la materia oscura è cruciale perché si completano a vicenda e aiuterebbero a confermare i risultati dell'altro.
"Stiamo cercando nuovi modi per cercare la materia oscura perché, visto quanto poco sappiamo della materia oscura, vale la pena considerare tutte le possibilità, "dice Zhang.
