Credito d'immagine: Fermilab
Con i primi dati del loro osservatorio sotterraneo nel Nord del Minnesota, gli scienziati del Cryogenic Dark Matter Search hanno scrutato con maggiore sensibilità che mai nel sospetto regno del WIMPS. L'avvistamento di particelle voluminose che interagiscono debolmente potrebbe risolvere il doppio mistero della materia oscura sulla scala cosmica e della supersimmetria sulla scala subatomica.
Il risultato CDMS II, descritto in un documento inviato a Physical Review Letters, mostra con certezza del 90 percento che il tasso di interazione di un WIMP con 60 GeV di massa deve essere inferiore a 4 x 10-43 cm2 o circa un'interazione ogni 25 giorni per chilogrammo di germanio, il materiale nel rivelatore dell'esperimento. Questo risultato dice ai ricercatori più di quanto abbiano mai saputo prima di WIMPS, se esistono. Le misurazioni dei rivelatori CDMS II sono almeno quattro volte più sensibili della migliore misurazione precedente offerta dall'esperimento EDELWEISS, un esperimento europeo sotterraneo vicino a Grenoble, in Francia.
"Pensa a questa sensibilità migliorata come a un nuovo telescopio con il doppio del diametro e quindi quattro volte la raccolta di luce di quelli che lo hanno preceduto", ha dichiarato il portavoce del CDMS II Blas Cabrera dell'Università di Stanford. “Ora siamo in grado di cercare un segnale che sia solo un quarto più luminoso di quanto abbiamo mai visto prima. Nei prossimi anni, prevediamo di migliorare la nostra sensibilità di un fattore di 20 o più ".
I risultati vengono presentati all'incontro di aprile dell'American Physical Society il 3 e 4 maggio a Denver da Harry Nelson e lo studente laureato Joel Sanders, entrambi dell'Università della California-Santa Barbara, e da Gensheng Wang e Sharmila Kamat di Case Western Reserve University.
"Sappiamo che né il nostro modello standard di fisica delle particelle né il nostro modello del cosmo sono completi", ha dichiarato il portavoce del CDMS II Bernard Sadoulet dell'Università della California a Berkeley. “Questo particolare pezzo mancante sembra adattarsi a entrambi i puzzle. Stiamo vedendo la stessa forma da due direzioni diverse. ”
I WIMP, che non comportano alcun addebito, sono uno studio delle contraddizioni. Mentre i fisici si aspettano che abbiano circa 100 volte la massa di protoni, la loro natura spettrale permette loro di scivolare attraverso la materia ordinaria lasciando a malapena una traccia. Il termine "interagire debolmente" non si riferisce alla quantità di energia depositata quando interagiscono con la materia normale, ma piuttosto al fatto che interagiscono in modo estremamente raro. In effetti, ben cento miliardi di WIMP potrebbero essersi diffusi nel tuo corpo mentre leggi queste prime frasi.
Con 48 scienziati provenienti da 13 istituzioni, oltre ad altri 28 ingegneri, tecnici e amministrativi, CDMS II opera con finanziamenti dall'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, dalle Divisioni di Astronomia e Fisica della National Science Foundation e dalle istituzioni associate. Il Fermi National Accelerator Laboratory del DOE fornisce la gestione del progetto per CDMS II.
"La natura della materia oscura è fondamentale per la nostra comprensione della formazione e dell'evoluzione dell'universo", ha affermato il dott. Raymond L. Orbach, direttore dell'ufficio scientifico del DOE. "Questo esperimento non avrebbe potuto avere successo senza la collaborazione attiva dell'ufficio scientifico della DOE e della National Science Foundation."
Michael Turner, vicedirettore per la matematica e le scienze fisiche presso la NSF, ha descritto l'identificazione del costituente della materia oscura come una delle grandi sfide sia in astrofisica che in fisica delle particelle.
"La materia oscura tiene insieme tutte le strutture nell'universo, compresa la nostra Via Lattea, e ancora non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura", ha detto Turner. “L'ipotesi di lavoro è che si tratta di una nuova forma di materia che, se corretta, farà luce sui meccanismi interni delle forze e delle particelle elementari. Nel perseguire la soluzione a questo importante enigma, CDMS è ora in testa al gruppo, con un altro fattore di 20 in sensibilità ancora da venire. ”
La materia oscura nell'universo viene rilevata attraverso i suoi effetti gravitazionali su tutte le scale cosmiche, dalla crescita della struttura nell'universo primordiale alla stabilità delle galassie oggi. I dati cosmologici provenienti da molte fonti confermano che questa materia oscura invisibile ammonta a oltre sette volte la quantità di ordinaria materia visibile che forma le stelle, i pianeti e altri oggetti nell'universo.
"Qualcosa là fuori ha formato le galassie e le tiene insieme oggi, e non emette né assorbe luce", ha detto Cabrera. "La massa delle stelle in una galassia è solo il 10 percento della massa dell'intera galassia, quindi le stelle sono come luci dell'albero di Natale che decorano il salotto di una grande casa buia."
I fisici credono anche che i WIMP possano essere le particelle subatomiche non ancora osservate chiamate neutralinos. Questi sarebbero elementi di prova per la teoria della supersimmetria, introducendo una nuova fisica intrigante oltre il modello standard di oggi delle particelle e delle forze fondamentali.
La supersimmetria prevede che ogni particella nota abbia un partner supersimmetrico con proprietà complementari, sebbene nessuno di questi partner sia ancora stato osservato. Tuttavia, molti modelli di supersimmetria prevedono che la particella supersimmetrica più leggera, chiamata neutralino, abbia una massa circa 100 volte quella del protone.
"I teorici hanno inventato tutti questi cosiddetti" partner supersimmetrici "delle particelle conosciute per spiegare i problemi sulle scale di distanza più piccole", ha affermato Dan Akerib della Case Western Reserve University. "In una di quelle affascinanti connessioni del grandissimo e del piccolissimo, il più leggero di questi superpartner potrebbe essere il pezzo mancante del puzzle per spiegare ciò che osserviamo sulle scale di distanza più grandi."
Il team CDMS II pratica "l'astronomia sotterranea", con rilevatori di particelle situati a quasi mezzo miglio sotto la superficie terrestre in un'ex miniera di ferro a Soudan, nel Minnesota. I 2.341 piedi della crosta terrestre proteggono i raggi cosmici e le particelle di fondo che producono. I rivelatori sono realizzati in germanio e silicio, cristalli semiconduttori con proprietà simili. I rivelatori sono raffreddati entro un decimo di un grado di zero assoluto, così freddo che il movimento molecolare diventa trascurabile. I rilevatori misurano contemporaneamente la carica e la vibrazione prodotte dalle interazioni delle particelle all'interno dei cristalli. WIMPS segnalerà la loro presenza rilasciando meno carica rispetto ad altre particelle per la stessa quantità di vibrazione.
"I nostri rilevatori si comportano come un telescopio dotato di filtri che consentono agli astronomi di distinguere un colore di luce da un altro", ha dichiarato Dan Bauer, responsabile del progetto CDMS II di Fermilab. "Solo, nel nostro caso, stiamo cercando di filtrare le particelle convenzionali a favore della materia oscura WIMPS."
Il fisico Earl Peterson dell'Università del Minnesota sovrintende al Soudan Underground Laboratory, che ospita anche l'esperimento di neutrini a lunga base di Fermilab, il principale iniettore di ricerca dell'oscillazione del neutrino.
"Sono entusiasta del nuovo significativo risultato di CDMS II e mi congratulo con la collaborazione", ha dichiarato Peterson. "Sono lieto che le strutture del Soudan Laboratory abbiano contribuito al successo di CDMS II. E sono particolarmente lieto che il lavoro di Fermilab e dell'Università del Minnesota nell'ampliamento del Soudan Laboratory abbia portato a una straordinaria nuova fisica ".
Man mano che CDSMII cercherà WIMP nei prossimi anni, o verrà scoperta la materia oscura del nostro universo, o una vasta gamma di modelli supersimmetrici sarà esclusa dalla possibilità. In ogni caso, l'esperimento CDMS II svolgerà un ruolo importante nel far progredire la nostra comprensione della fisica delle particelle e del cosmo.
Le istituzioni che collaborano con il CDMS II includono la Brown University, la Case Western Reserve University, il Fermi National Accelerator Laboratory, il Lawrence Berkeley National Laboratory, il National Institutes of Standards and Technology, la Princeton University, la Santa Clara University, la Stanford University, la University of California-Berkeley, il Università della California-Santa Barbara, Università del Colorado a Denver, Università della Florida e Università del Minnesota.
Fermilab è un laboratorio nazionale DOE Office of Science gestito su contratto da Universities Research Association, Inc.
Fonte originale: comunicato stampa Fermilab
