Le osservazioni e le misurazioni cosmologiche raccolte in passato suggeriscono che la materia ordinaria, che include stelle, galassie, il corpo umano e innumerevoli altri oggetti/organismi viventi, costituisce solo il 20% della massa totale dell'universo. Si è ipotizzato che la massa rimanente sia costituita dalla cosiddetta materia oscura, un tipo di materia che non assorbe, riflettono o emettono luce e possono quindi essere osservati solo indirettamente attraverso gli effetti gravitazionali sull'ambiente circostante.

Mentre l'esatta natura di questo tipo di materia sfuggente è ancora sconosciuta, negli ultimi decenni, i fisici hanno identificato molte particelle che vanno oltre il modello standard (la teoria che descrive alcune delle principali forze fisiche nell'universo) e che potrebbero essere buoni candidati per la materia oscura. Hanno quindi provato a rilevare queste particelle utilizzando due tipi principali di rivelatori di particelle avanzati:rivelatori a semiconduttori su scala grammo (solitamente fatti di silicio e usati per cercare materia oscura a bassa massa) e rivelatori gassosi su scala tonnellata (che hanno soglie di rilevamento di energia più elevate e sono più adatti per eseguire ricerche di materia oscura ad alta massa).

La collaborazione EDELWEISS, un folto gruppo di ricercatori che lavorano presso l'Université Lyon 1, Université Paris-Saclay e altri istituti in Europa, ha recentemente effettuato la prima ricerca di materia oscura Sub-MeV utilizzando un rivelatore a base di germanio(Ge). Sebbene il team non fosse in grado di rilevare la materia oscura, hanno fissato una serie di vincoli che potrebbero informare le indagini future.

"EDELWEISS è un esperimento di ricerca diretta sulla materia oscura. Come tale, il nostro obiettivo principale è rilevare la materia oscura per portare prove inconfutabili della sua esistenza, "Quentin Arnaud, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Ancora, l'assenza di rilevamento è di per sé un risultato importante, perché questo ci consente di testare e impostare vincoli sui modelli di particelle di materia oscura esistenti".

Ci sono due ragioni principali per cui le particelle di materia oscura finora sono sfuggite al rilevamento. Primo, la probabilità che queste particelle interagiscano con la materia ordinaria, come quello all'interno dei rivelatori di particelle convenzionali, è estremamente piccolo.

Secondo, il segnale che i ricercatori si aspettano derivi da una particella di materia oscura che colpisce il rivelatore è di diversi ordini di grandezza inferiore ai segnali prodotti dalla radioattività naturale. Il rilevamento di questi segnali richiederebbe quindi tempi di esposizione del rivelatore molto lunghi e l'uso di strumenti realizzati con materiali radiopuri, ma che siano anche adeguatamente schermate e azionate in profondità, poiché ciò impedisce loro di captare la radioattività ambientale e i raggi cosmici.

"Alla fine (nonostante tutti i nostri sforzi), ci sarà sempre uno sfondo residuo che dobbiamo essere in grado di discriminare, " Spiegò Arnaud. "Pertanto, sviluppiamo tecnologie di rilevamento con la capacità di determinare se i segnali che rileviamo sono indotti da una particella di materia oscura o originano dal fondo radioattivo".

Arnaud e i suoi colleghi sono stati i primi a cercare la materia oscura al di sotto dei MeV utilizzando un rilevatore criogenico al germanio da 33,4 g invece di un rilevatore di particelle a base di silicio. Hanno specificamente cercato particelle di materia oscura che avrebbero interagito con gli elettroni. Il rilevatore che hanno usato è stato utilizzato sottoterra presso il Laboratoire Souterrain de Modane, in Francia.

"L'energia depositata nel nostro rivelatore a seguito di un'interazione di particelle di materia oscura dovrebbe essere estremamente piccola ( <1 keV), " Ha detto Arnaud. "Quando si cercano particelle di materia oscura leggera (masse sub-MeV), è anche peggio:l'energia depositata può essere piccola come pochi eV, depositi di energia così piccoli che solo poche tecnologie di rilevamento allo stato dell'arte possono essere sensibili ad essi".

Il rivelatore utilizzato dalla collaborazione EDELWEISS consiste essenzialmente in un cristallo cilindrico di germanio raffreddato a temperatura criogenica (18 mK o -273, 13°C), con elettrodi di alluminio su ciascun lato del cristallo, su cui il team ha applicato un'alta differenza di tensione. Le collisioni tra particelle e nucleo/atomi all'interno del cristallo portano alla produzione di coppie elettrone-lacuna, che inducono un piccolo segnale di carica (cioè, corrente) mentre si spostano verso gli elettrodi di raccolta.

Inoltre, la collisione di una particella con il reticolo cristallino induce un piccolo aumento della temperatura (cioè, meno di 1 micro-Kelvin). Questa variazione di temperatura può essere misurata utilizzando un sensore termico molto sensibile noto come sensore drogato con trasmutazione di neutroni (NTD). Poiché i depositi di energia che teoricamente dovrebbero derivare dalle particelle di materia oscura sub-MeV sono incredibilmente piccoli (cioè, nella scala eV), però, il segnale di carica associato sarebbe troppo piccolo per essere misurabile e l'aumento di temperatura troppo leggero per essere misurato da un sensore NTD.

"Per risolvere questo problema, il nostro rivelatore sfrutta quello che viene chiamato effetto Neganov-Trofimov-Luke (NTL) (che in una certa misura è simile all'effetto Joule):nei rivelatori criogenici a semiconduttore, la deriva di N coppie elettrone-lacuna attraverso una differenza di tensione produce calore aggiuntivo la cui energia si somma a quella iniziale depositata, " Ha detto Arnaud. "Questo effetto Neganov-Trofimov-Luke (NTL) trasforma essenzialmente un calorimetro criogenico (azionato a ΔV=0V) in un amplificatore di carica. Un piccolo deposito di energia finisce per dare luogo ad un elevato (misurabile) innalzamento della temperatura e più alto è il voltaggio, maggiore è il guadagno di amplificazione."

Arnaud e i suoi colleghi stabiliscono nuovi vincoli alla miscelazione cinetica dei fotoni oscuri. Globale, i risultati raccolti dimostrano l'elevata rilevanza e il valore dei rivelatori criogenici al germanio nella ricerca in corso di interazioni con la materia oscura che producono segnali di elettroni su scala eV.

La collaborazione EDELWEISS sta ora sviluppando una serie di rivelatori più potenti chiamati SELENDIS (Single ELEctron Nuclear recoil DISCrimination). La caratteristica più importante di questi nuovi rivelatori è un'innovativa tecnica di discriminazione che consentirà al team di differenziare tra rinculo nucleare ed elettronico fino a una singola coppia elettrone-lacuna con la sola misurazione dei segnali di calore piuttosto che richiedere la misurazione simultanea di due osservabili ( per esempio, , calore/ionizzazione, ionizzazione/scintillazione o calore/scintillazione), come nel caso delle tecniche di discriminazione proposte in precedenza.

"Nessuna tecnologia di rilevamento attualmente esistente può combinare sensibilità di rilevamento di singoli elettroni e capacità di discriminazione, " Arnaud ha detto. "Gli esperimenti di rilevamento diretto ottimizzati per ricerche di materia oscura ad alta massa sono molto bravi a discriminare il segnale dallo sfondo, ma hanno soglie di rilevamento di energia relativamente elevate. Gli esperimenti di ricerca della materia oscura a bassa massa, incluso EDELWEISS, hanno soglie di rilevamento a bassa energia senza precedenti ma non possono discriminare il segnale dallo sfondo. Con SELENDIS, il nostro obiettivo è combinare i due sviluppando il primo rivelatore che combini la sensibilità della coppia di fori elettronici singoli e le capacità di discriminazione dello sfondo".

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