Gli astronomi non sanno cos'è la materia oscura, ma sanno che occupa circa il 25% dell'Universo. Un potente rivelatore, in profondità nel sottosuolo del Minnesota, potrebbe essere in grado di raggiungere il fondo del mistero. Il progetto Cryogenic Dark Matter Search II tenterà di rilevare particelle voluminose che interagiscono debolmente (alias WIMPS). Queste particelle teoriche normalmente non interagiscono con la materia, ma occasionalmente potrebbero essere rilevabili rare collisioni.
"È sempre più difficile allontanarsi dal fatto che ci sia una sostanza là fuori che sta costituendo la maggior parte dell'universo che non possiamo vedere", afferma Cabrera. "Le stelle e le galassie stesse sono come le luci dell'albero di Natale su questa enorme nave che è buia e non assorbe né emette luce."
Sepolto nelle profondità sotterranee in una miniera nel Minnesota si trova il progetto di Cabrera, chiamato Cryogenic Dark Matter Search II (CDMS II). Bernard Sadoulet, fisico della University of California-Berkeley, è il portavoce dello sforzo. Dan Bauer di Fermilab è il project manager e Dan Akerib della Case Western Reserve University è il vice project manager. Un team di 46 scienziati di 13 istituzioni collabora al progetto.
Per catturare un WIMP
L'esperimento è il più sensibile al mondo con l'obiettivo di rilevare particelle esotiche chiamate WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), che sono una delle migliori ipotesi degli scienziati su ciò che costituisce la materia oscura. Altre opzioni includono neutrini, particelle teorizzate chiamate assioni o persino materia normale come buchi neri e stelle nane marroni che sono troppo deboli per essere viste.
Si pensa che i WIMPS abbiano una carica neutra e pesino più di 100 volte la massa di un protone. Al momento queste particelle elementari esistono solo in teoria e non sono mai state osservate. Gli scienziati pensano di non averli ancora trovati perché sono tremendamente difficili da catturare. I WIMPS non interagiscono con la maggior parte della materia - le particelle timide passano attraverso i nostri corpi - ma CDMS II mira a catturarli in una rara collisione con gli atomi nei rivelatori realizzati appositamente per il progetto.
"Queste particelle per lo più passano attraverso la Terra senza disperdersi", afferma Cabrera. "L'unica ragione per cui abbiamo anche la possibilità di vedere eventi è perché [ci sono] così tante particelle che molto raramente si arriva [nel rivelatore] e si disperde."
I rivelatori sono nascosti sotto gli strati di terra nella miniera di Soudan del Minnesota per proteggerli dai raggi cosmici e altre particelle che potrebbero scontrarsi con i rivelatori ed essere scambiati per materia oscura. In effetti, metà della battaglia per gli scienziati che lavorano su CDMS II è proteggere i loro strumenti il più possibile da tutto tranne che da WIMPS e sviluppare sistemi elaborati per dire la differenza tra materia oscura e particelle più banali.
"Il nostro rilevatore è questa cosa a forma di disco da hockey che deve vivere a 50 millesimi di grado sopra lo zero assoluto", afferma Walter Ogburn, uno studente laureato a Stanford che lavora al progetto. "È difficile rendere le cose così fredde."
A tal fine, gli strumenti sono immersi in un contenitore chiamato una ghiacciaia, rivestito con sei strati di isolamento, dalla temperatura ambiente all'esterno a quella più fredda all'interno. Ciò mantiene i rilevatori così freddi che nemmeno gli atomi possono tremare.
I rilevatori sono realizzati con cristalli di silicio solido e germanio solido. Gli atomi di silicio o germanio si trovano fermi in un reticolo perfetto. Se i WIMPS si schiantano contro di loro, si muoveranno e rilasceranno piccoli pacchetti di calore chiamati fononi. Quando i fononi salgono sulla superficie dei rivelatori, creano un cambiamento in uno strato molto sensibile di tungsteno, che i ricercatori possono registrare. Un secondo circuito sull'altro lato del rilevatore misura ioni, particelle cariche che verrebbero liberate da una collisione di un WIMP e un atomo nel rivelatore.
"Questi due canali ci consentono di discriminare tra diversi tipi di interazioni", afferma Ogburn. "Alcune cose fanno più ionizzazione e alcune cose ne fanno meno, così puoi dire la differenza in quel modo."
Ci vuole una squadra di scienziati in più strutture per costruire i rivelatori. Il team acquista i cristalli da una società esterna e i ricercatori del Center for Integrated Systems di Stanford realizzano strumenti di misurazione sulla superficie dei rivelatori. "Usiamo le stesse cose per renderle utilizzabili dalle persone per creare microprocessori perché anche questi sono super piccoli", afferma Matt Pyle, un altro studente laureato nel laboratorio di Cabrera.
Ciuffi di indizi
Un sottoinsieme di WIMPS, chiamato neutralinos, sono le particelle più leggere previste dalla supersimmetria, una teoria che prevede un compagno per ogni particella che abbiamo già osservato. Se CDMS II riuscisse a trovare neutralinos, questa sarebbe la prima prova per la supersimmetria. "La supersimmetria suggerisce che esiste un intero altro settore là fuori di particelle che sono i partner delle nostre particelle esistenti", afferma Cabrera. “Esistono molti modi in cui la supersimmetria sembra molto probabile. Ma non ci sono ancora prove dirette per qualsiasi coppia di particelle [supersimmetrica] corrispondente ".
Le interazioni deboli di WIMPS sono il motivo per cui, sebbene le particelle di materia oscura abbiano massa e obbediscano alle leggi di gravità, non si aggregano in galassie e stelle come la materia normale. Per ammassarsi, le particelle devono schiantarsi e rimanere insieme. Ma i WIMPS molto spesso volavano l'uno accanto all'altro. Inoltre, poiché i WIMPS sono neutri, non formano atomi, che richiedono l'attrazione di protoni caricati positivamente su elettroni caricati negativamente.
"La materia oscura permea tutto", dice Cabrera. "Non è mai crollato come hanno fatto gli atomi."
Poiché la materia oscura non ha mai formato stelle e altri familiari oggetti celesti, per molto tempo gli scienziati non hanno mai saputo che fosse lì. La prima indicazione della sua esistenza risale agli anni '30, quando Fritz Zwicky, un astronomo svizzero-americano, osservò gruppi di galassie. Sommò le masse di galassie e notò che non c'era abbastanza massa per giustificare la gravità che doveva esistere per tenere uniti i cluster. Qualcos'altro deve fornire la massa mancante, ha dedotto.
Più tardi negli anni '70, Vera Rubin, un'astronoma americana, misurò la velocità delle stelle nella Via Lattea e in altre galassie vicine. Mentre guardava più lontano verso i bordi di queste galassie, scoprì che le stelle non ruotano più lentamente come gli scienziati si aspettavano. "Non aveva alcun senso", afferma Cabrera. "L'unico modo in cui puoi capirlo è se ci fosse molta più massa di quella che hai visto alla luce delle stelle."
Nel corso degli anni, si sono accumulate sempre più prove per la materia oscura. Sebbene gli scienziati non sappiano ancora cosa sia, hanno un'idea migliore di dove si trova e di quanto dovrebbe esserci. "Rimane pochissimo spazio di manovra per avere quantità diverse", afferma Cabrera.
"Finora non abbiamo visto nulla di simile a un segnale interessante", afferma. Ma i ricercatori del CDMS II continuano la ricerca. Anche altri gruppi. ZEPLIN, un esperimento condotto da fisici dell'Università della California-Los Angeles e della Dark Matter Collaboration del Regno Unito, mira a catturare i WIMP in vasche liquide di xeno in una miniera vicino a Sheffield, Inghilterra. E al Polo Sud, è in costruzione un progetto dell'Università del Wisconsin-Madison chiamato IceCube che utilizzerà sensori ottici sepolti in profondità nel ghiaccio per cercare neutrini, particelle ad alta energia che sono segni di annientamento del WIMP.
Nel frattempo, CDMS II continua a evolversi. I suoi ricercatori stanno costruendo rilevatori sempre più grandi per aumentare le loro possibilità di trovare WIMPS. In futuro, il team spera di costruire un rivelatore da 1 tonnellata che dovrebbe essere in grado di scoprire molti dei tipi più probabili di WIMPS, se presenti. "Stiamo acquisendo dati con una massa target di germanio più del doppio rispetto a prima, quindi stiamo esplorando nuovi territori in questo momento", afferma Ogburn. "Ma c'è molto altro da coprire."
Fonte originale: Stanford News Release
