Questa illustrazione rappresenta una particella di materia oscura. Gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory hanno tentato di monitorare queste particelle sfuggenti utilizzando rivelatori di neutrini in Neutrino Alley.
Gli scienziati dell’Oak Ridge National Laboratory hanno tentato di osservare la materia oscura in un corridoio sotterraneo molto illuminato usando la sensibilità dei loro rivelatori di neutrini. Neutrino Alley, dove sta lavorando il team, si trova sotto la Spallation Neutron Source, un potente acceleratore di particelle. Dopo anni di calcoli teorici, il team di COHERENT ha deciso di osservare la materia oscura, che si pensa costituisca fino all’85% della massa dell’universo. L’esperimento ha permesso al team di ampliare la ricerca globale della materia oscura in un modo nuovo e hanno in programma di ricevere un rivelatore più grande e più sensibile per migliorare le loro possibilità di catturare particelle di materia oscura.
Poche cose portano la stessa aura di mistero della materia oscura. Il nome stesso irradia segretezza, suggerendo qualcosa di nascosto nelle ombre dell’universo.
Chiamato un team collaborativo di scienziati coerentetra cui Kate Schulberg, Distinguished Professor of Physics of Arts and Sciences, Philip Barbeau, Professore Associato di Fisica, e il ricercatore post-dottorato Daniel Berchie, hanno cercato di portare la materia oscura fuori dalle ombre dell’universo verso una destinazione meno affascinante: un luminoso , angusto corridoio seminterrato.
Non una cantina ordinaria, però. Lavorando in un’area dell’Oak Ridge National Laboratory soprannominata Neutrino Alley, il team di solito si concentra su particelle subatomiche chiamate neutrini. Vengono prodotti quando le stelle muoiono e diventano supernove, o a un livello più vicino alla Terra, come sottoprodotto della collisione di protoni negli acceleratori di particelle.
La materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce l’85% della materia dell’universo, non è nascosta lontano tra le galassie. Un team di scienziati sta cercando di portarla fuori dall’ombra. Credito: raggi X: NASA/CXO/Fabian et al. ; Radio: Gendron-Marsolais et al. ; Ottica NRAO/AUI/NSF: NASA, SDSS
Non a caso, Neutrino Alley si trova proprio sotto uno degli acceleratori di particelle più potenti al mondo, quello di Oak Ridge. Sorgente di neutroni a spallazione (SNS). Neutrino Alley ospita una collezione di rivelatori specificamente progettati per monitorare i neutrini mentre passano e si scontrano con essi.
Tuttavia, i neutrini non sono l’unico sottoprodotto dei processi SNS. La materia oscura (da non confondere con l’antimateria preferita del cattivo) viene prodotta anche quando gli acceleratori di particelle fanno scontrare i protoni. Dopo anni di calcoli teorici, il team COHERENT ha deciso di sfruttare la potenza di SNS e la sensibilità dei loro rivelatori di neutrini per monitorare la materia oscura in Neutrino Alley.
“E non l’abbiamo visto”, dice Schulberg. “Certo, se l’avessimo visto, sarebbe stato più eccitante, ma non vederlo è in realtà un grosso problema.”
Ha spiegato che il fatto che la materia oscura non sia stata rilevata dai suoi rivelatori di neutrini le consente di migliorare i modelli teorici di come appare la materia oscura.
“Sappiamo esattamente come risponderebbe un rilevatore di materia oscura se la materia oscura avesse determinate proprietà, quindi stavamo cercando quella firma specifica”.
Kate Schulberg, coautrice Grayson Rich e Philip Barbeau. Credito: Long Li/Duke University
L’impronta digitale in questione è il modo in cui i nuclei degli atomi nel rivelatore di neutrini rimbalzano quando colpiscono un neutrino, o in questo caso, una particella di materia oscura.
“È come lanciare proiettili contro una palla da bowling su un pezzo di ghiaccio”, ha detto Berchie. Le palle da bowling, nella sua analogia, sono gli atomi nel rivelatore di neutrini, che in questo esperimento era un cristallo di ioduro di cesio di 14,6 kg. “Puoi dire molto sulla fionda e sulla forza che lanci da quanto in alto rimbalza la palla da bowling al contatto.”
Quando si tratta di materia oscura, qualsiasi informazione è una buona informazione. Nessuno sa cosa sia veramente. Quasi 100 anni fa, i fisici si resero conto che l’universo non avrebbe potuto comportarsi in quel modo se tutto ciò che conteneva erano le cose che potevamo vedere.
“Stiamo nuotando in un mare di materia oscura”, ha detto Jason Newby, capo del Neutrino Research Group presso l’Oak Ridge National Laboratory e coautore dello studio. Il consenso dei fisici è che la materia oscura costituisce l’85% della massa dell’universo. Deve essere soggetto alla gravità per spiegare il comportamento dell’universo, ma non interagisce con nessun tipo di luce o onde elettromagnetiche e appare scuro.
Jason Newby e il coautore Yuri Efremenko portano il piccolissimo rivelatore di neutrini allo ioduro di cesio da 14,6 kg usato per cercare la materia oscura a Neutrino Alley. Credito: Genevieve Martin/Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti
“Lo abbiamo imparato osservando le grandi galassie che orbitano l’una intorno all’altra, e abbiamo visto che ruotano molto più velocemente di quanto dovrebbero, il che implica che hanno più massa di quanto sembrino”, ha detto Birchi. “Quindi sappiamo che ci sono altre cose là fuori, dobbiamo solo sapere dove cercarle”.
“Anche se la maggior parte delle volte non otteniamo risultati, è davvero importante che tu guardi ovunque e poi puoi escludere un intero numero di possibilità e concentrarti su una nuova area con strategia piuttosto che usare solo gli ‘spaghetti sul muro ‘ approccio”, ha detto Newby.
Daniele Berchi. Credito: Duke University
“Stiamo estendendo la nostra portata a tutti i modelli che potrebbero esistere per la materia oscura, e questo è molto potente”, ha affermato Schulberg.
E il risultato non si ferma qui, osserva: l’esperimento ha anche permesso al team di ampliare la ricerca globale della materia oscura in un modo nuovo.
“La tipica tecnica di rilevamento è quella di andare sottoterra, costruire un rivelatore molto sensibile e attendere che le particelle di materia oscura passino”, ha detto Berchi.
il problema? Le particelle di materia oscura potrebbero viaggiare silenziosamente nell’aria. Se è anche molto leggero, potrebbe non raggiungere il rilevatore con una potenza sufficiente per creare un’impronta digitale rilevabile.
La configurazione sperimentale del team COHERENT risolve questo problema.
“Quando entri nell’acceleratore, produci quelle particelle a un’energia significativamente più alta”, ha detto Berchi. Questo dà loro molto gravità per colpire i nuclei e mostrare il segnale della materia oscura. “
Così quello che ora? Non è proprio tornato al tavolo da disegno. Neutrino Alley si sta attualmente preparando a ricevere un rivelatore più grande e più sensibile, che, insieme ai raffinati criteri di ricerca di COHERENT, migliorerà notevolmente le possibilità di catturare una di queste particelle demoniache.
“Siamo sulla soglia di dove la materia oscura deve essere”, ha detto Birchi.
Riferimento: “Prima sonda di materia oscura Sub-GeV oltre le previsioni cosmologiche utilizzando il rivelatore COHERENT CsI nel SNS” di D. Akimov et al. 3 febbraio 2023 Lettere di revisione fisica.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.051803