Nuova strategia per catturare la materia oscura

Ideato un nuovo apparato sperimentale per indagare l’esistenza di particelle di materia oscura con masse più piccole di quelle cercate fino a oggi

Illustrazione dei filamenti di materia oscura. Crediti: AMNH

Illustrazione dei filamenti di materia oscura. Crediti: AMNH

Elisa Nichelli 2 novembre 2017

Un team di fisici della Brown University ha sviluppato una nuova strategia per osservare la materia oscura, ovvero la componente di materia dominante nell’Universo che per ora sfugge alla nostra comprensione e ai nostri rivelatori. Secondo i ricercatori, sarà possibile rilevare le interazioni tra le particelle di materia oscura e l’elio superfluido, grazie a un apparato sperimentale sensibile a masse molto inferiori rispetto a quanto ottenuto con esperimenti precedenti. «Fino ad ora le ricerche di materia oscura su larga scala hanno cercato particelle con masse da 10 a 10.000 volte quella di un protone», spiega Derek Stein, coautore dello studio. «Al di sotto della soglia pari a 10 volte la massa del protone questi esperimenti perdono accuratezza. Quello che vogliamo fare è estendere la sensibilità di questo tipo di studi a particelle molto più leggere». Il nuovo rivelatore è stato descritto in un articolo pubblicato di recente su Physical Review Letters.


Sebbene per ora le prove a favore dell’esistenza della materia oscura siano tutte indirette (la rotazione delle galassie, la loro interazione gravitazionale, il modo in cui la luce deforma il proprio cammino in presenza di una o più galassie...) i fisici sono sicuri che questa componente sfuggente del cosmo debba esistere. L’idea è che si tratti di particelle che interagiscono raramente con la materia ordinaria, vale a dire quella che vediamo perché emette luce, ma non sappiamo ancora quali altre proprietà debbano possedere. C’erano ottimi motivi, dice Stein, per andare a cercare nell’intervallo di masse su cui si concentra la maggior parte degli esperimenti condotti finora, ma la loro non rivelazione ha spinto i ricercatori a guardare altrove, spingendosi anche a masse inferiori.


La strategia sviluppata dai ricercatori della Brown University prevede l’utilizzo di una vasca di elio superfluido. Il rivelatore è pensato in modo che le particelle di materia oscura che attraversano la vasca possano impattare occasionalmente con un nucleo di elio. Tale collisione dovrebbe produrre fononi e rotoni, quasiparticelle in grado di propagarsi all’interno del superfluido senza perdere energia. Quando queste quasiparticelle raggiungono la superficie del fluido, provocano l’emissione di atomi di elio nello spazio vuoto sovrastante. Dunque l’osservazione di atomi di elio sarebbe il segnale che nella vasca è avvenuta un’interazione con la materia oscura. L’aspetto più complesso di questa ricerca è che la collisione di una particella di materia oscura di bassa massa provocherebbe il rilascio di un solo atomo, che porterebbe con sé un’energia bassissima (dell’ordine del millesimo di elettronvolt), rendendo il processo quasi impossibile da rilevare. Per risolvere questo problema i ricercatori hanno deciso di creare un campo elettrico nello spazio vuoto sopra alla superficie di elio liquido, utilizzando delle punte metalliche. L’atomo rilasciato cederebbe un elettrone a una delle punte, cariche positivamente, e lo ione così creato avrebbe abbastanza energia per essere rilevato.


Schema del nuovo rivelatore proposto per lo studio di particelle di materia oscura di bassa massa. Crediti: Maris/Seidel/Stein/Brown University


Questo nuovo apparato sperimentale non sarebbe il primo a sfruttare l’idea di un gas liquido. In passato sono state utilizzate vasche di xeno, mentre con l’elio si avrebbe un importante vantaggio per la ricerca di particelle di massa inferiore. Per avere una collisione rilevabile, la particella entrante e i nuclei presenti nel liquido devono avere masse confrontabili. Lo xeno ha un nucleo con una massa pari a 100 protoni, mentre quello dell’elio è appena 4 volte la massa del protone. Prima di poter realizzare concretamente un rivelatore di questo tipo saranno necessari esperimenti per comprendere al meglio ciò che accade nell’elio superfluido, e le dinamiche di ionizzazione, afferma Stein: «Una volta portati a termine quegli esperimenti avremo gli strumenti per costruire il più grande e completo esperimento per lo studio della materia oscura».

commenti