Gli scienziati sono certi che la materia oscura esista. Ancora, dopo più di 50 anni di ricerca, non hanno ancora prove dirette della misteriosa sostanza.

Swati Singh dell'Università del Delaware fa parte di un piccolo gruppo di ricercatori della comunità della materia oscura che ha iniziato a chiedersi se stanno cercando il giusto tipo di materia oscura.

"E se la materia oscura fosse molto più leggera di quanto cercano i tradizionali esperimenti di fisica delle particelle?" disse Singh, un assistente professore di ingegneria elettrica e informatica presso UD.

Ora, Singh, Jack Manley, uno studente di dottorato UD, e i collaboratori dell'Università dell'Arizona e dell'Haverford College hanno proposto un nuovo modo per cercare le particelle che potrebbero costituire la materia oscura riutilizzando la tecnologia dei sensori da tavolo esistente. Il team ha recentemente riportato il proprio approccio in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica .

I coautori del documento includono Dalziel Wilson, un assistente professore di scienze ottiche dell'Arizona, Mitul Dey Chowdhury, uno studente di dottorato dell'Arizona, e Daniel Grin, un assistente professore di fisica all'Haverford College.

Nessuna questione ordinaria

Singh ha spiegato che se sommi tutte le cose che emettono luce, come le stelle, pianeti e gas interstellari, rappresenta solo circa il 15% della materia nell'universo. L'altro 85% è noto come materia oscura. non emette luce, ma i ricercatori sanno che esiste per i suoi effetti gravitazionali. Sanno anche che non è una cosa normale, come il gas, polvere, stelle, pianeti e noi.

"Potrebbe essere costituito da buchi neri, oppure potrebbe essere costituito da qualcosa di trilioni di volte più piccolo di un elettrone, nota come materia oscura ultraleggera, " disse Singh, una teorica quantistica nota per i suoi sforzi pionieristici nel portare avanti il ​​rilevamento meccanico della materia oscura.

Una possibilità è che la materia oscura sia costituita da fotoni oscuri, un tipo di materia oscura che eserciterebbe una debole forza oscillante sulla materia normale, facendo muovere una particella avanti e indietro. Però, poiché la materia oscura è ovunque, esercita quella forza su tutto, rendendo difficile misurare questo movimento.

Singh e i suoi collaboratori hanno affermato di pensare di poter superare questo ostacolo utilizzando accelerometri optomeccanici come sensori per rilevare e amplificare questa oscillazione.

"Se la forza dipende dal materiale, utilizzando due oggetti composti da materiali diversi la quantità a cui vengono forzati sarà diversa, il che significa che saresti in grado di misurare quella differenza di accelerazione tra i due materiali, " disse Manley, l'autore principale del documento.

Wilson, uno sperimentatore quantistico e uno dei collaboratori del team UD, paragonato un accelerometro optomeccanico a un diapason in miniatura. "È un dispositivo vibrante che, per le sue piccole dimensioni, è molto sensibile alle perturbazioni ambientali, " Egli ha detto.

Ora, i ricercatori hanno proposto un esperimento utilizzando una membrana in nitruro di silicio e uno specchio fisso di berillio per far rimbalzare la luce tra le due superfici. Se la distanza tra i due materiali cambia, i ricercatori avrebbero saputo dalla luce riflessa che erano presenti fotoni scuri perché il nitruro di silicio e il berillio hanno proprietà materiali diverse.

La collaborazione è stata una parte fondamentale dello sviluppo del design dell'esperimento, secondo Manley. Lui e Singh (teorici) hanno lavorato con Wilson e Dey Chowdhury (sperimentalisti) sui calcoli teorici che sono entrati nel progetto dettagliato per costruire il loro sensore accelerometro da tavolo proposto. Nel frattempo, Largo sorriso, un cosmologo, ha contribuito a far luce sugli aspetti di fisica delle particelle della materia oscura ultraleggera, ad esempio perché sarebbe ultraleggero, perché potrebbe accoppiarsi diversamente ai materiali e come potrebbe essere prodotto.

Come teorico, Manley ha affermato che l'opportunità di saperne di più su come funzionano i dispositivi e su come gli sperimentali costruiscono cose per dimostrare le teorie sviluppate da lui e Singh ha approfondito la sua esperienza e allo stesso tempo ha ampliato la sua esposizione a possibili percorsi di carriera.

Un lavoro in crescita

È importante sottolineare che questo ultimo lavoro si basa su ricerche precedentemente pubblicate dai team che collaborano, segnalato la scorsa estate in Lettere di revisione fisica . La carta, che includeva i contributi dell'ex studente laureato UD Russell Stump, hanno mostrato che diversi dispositivi su scala di laboratorio esistenti e a breve termine sono sufficientemente sensibili da rilevare, o escludere, possibili particelle che potrebbero essere materia oscura ultraleggera.

La ricerca ha riportato che alcuni tipi di materia oscura ultraleggera si connetterebbero, o coppia, con la materia normale in un modo che provocherebbe un cambiamento periodico nella dimensione degli atomi. Mentre piccole fluttuazioni nella dimensione di un singolo atomo possono essere difficili da notare, l'effetto è amplificato in un oggetto composto da molti atomi, e un'ulteriore amplificazione può essere ottenuta se tale oggetto è un risonatore acustico. La collaborazione ha valutato le prestazioni di diversi risonatori realizzati con materiali diversi che vanno dall'elio superfluido allo zaffiro monocristallino, e ho scoperto che questi sensori possono essere utilizzati per rilevare quel segnale di deformazione indotto dalla materia oscura.

Entrambi i progetti sono stati supportati in parte attraverso il finanziamento di Singh dalla National Science Foundation per esplorare idee emergenti sull'utilizzo di dispositivi quantistici all'avanguardia per rilevare fenomeni astrofisici con tecnologie da tavolo più piccole e meno costose di altri metodi.

Insieme, Singh ha detto, questi documenti estendono il corpo del lavoro su ciò che è noto sui possibili modi per rilevare la materia oscura e suggeriscono la possibilità di una nuova generazione di esperimenti da tavolo.

Singh e Manley stanno lavorando con altri gruppi sperimentali, pure, sviluppare ulteriori sensori da tavolo per cercare tale materia oscura o altri segnali astrofisici deboli. Stanno anche coltivando attivamente discussioni più ampie su questo argomento all'interno delle comunità della materia oscura e dei sensori quantistici.

Per esempio, Singh ha recentemente discusso dei progressi della strumentazione trasformazionale nei rivelatori di fisica delle particelle in un seminario virtuale organizzato dal Pannello di coordinamento per rivelatori avanzati (CPAD) del Dipartimento dell'energia. Ha anche presentato questi risultati in un seminario speciale durante la riunione di aprile dell'American Physical Society.

"È un momento emozionante, e sto imparando molto dalle domande poste da scienziati di diversa estrazione in tali workshop, " ha detto Singh. "Ma vale la pena notare che le mie idee di ricerca più originali provengono ancora da domande poste da studenti curiosi".