Rilevamento della massa mancante dell’Universo

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Un miliardo di minuscoli pendoli potrebbe rilevare la massa mancante dell’universo

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) ei loro colleghi hanno proposto un nuovo metodo per trovare la materia oscura, il materiale misterioso del cosmo che è sfuggito al rilevamento per decenni. La materia oscura costituisce circa il 27% dell’universo; la materia ordinaria, come quella che costruisce stelle e pianeti, rappresenta solo il 5% del cosmo. (Un’entità misteriosa chiamata energia oscura rappresenta il restante 68%.)

Secondo i cosmologi, tutto il materiale visibile nell’universo sta semplicemente fluttuando in un vasto mare di materia oscura – particelle che sono invisibili ma nondimeno hanno massa ed esercitano una forza gravitazionale. La gravità della materia oscura fornirebbe la colla mancante che impedisce alle galassie di cadere a pezzi e spiegherebbe come la materia si è aggregata per formare il ricco arazzo galattico dell’universo.

L’esperimento proposto, in cui un miliardo di pendoli di dimensioni millimetriche agirebbe come sensori di materia oscura, sarebbe il primo a cacciare la materia oscura esclusivamente attraverso la sua interazione gravitazionale con la materia visibile. L’esperimento sarebbe uno dei pochi a cercare particelle di materia oscura con una massa grande quanto quella di un granello di sale, una scala raramente esplorata e mai studiata da sensori in grado di registrare minuscole forze gravitazionali.

Precedenti esperimenti hanno cercato la materia oscura cercando segni non gravitazionali di interazioni tra le particelle invisibili e certi tipi di materia ordinaria. Questo è stato il caso della ricerca di un ipotetico tipo di materia oscura chiamato WIMP (particelle massicce che interagiscono debolmente), che è stato uno dei principali candidati per il materiale invisibile per più di due decenni. I fisici hanno cercato prove del fatto che quando occasionalmente i WIMP entrano in collisione con sostanze chimiche in un rilevatore, emettono luce o scaricano una carica elettrica.

I ricercatori alla ricerca di WIMP in questo modo sono usciti a mani vuote o hanno ottenuto risultati inconcludenti; le particelle sono troppo leggere (teoricamente avere una massa compresa tra quella di un elettrone e di un protone) per essere rilevate attraverso la loro forza gravitazionale.

Con la ricerca di WIMP apparentemente agli ultimi passi, i ricercatori del NIST ei loro colleghi stanno ora considerando un metodo più diretto per cercare particelle di materia oscura che hanno una massa più pesante e quindi esercitano una forza gravitazionale abbastanza grande da essere rilevata.

“La nostra proposta si basa esclusivamente sull’accoppiamento gravitazionale, l’unico accoppiamento che sappiamo per certo che esiste tra materia oscura e materia luminosa ordinaria”, ha detto il coautore dello studio Daniel Carney, un fisico teorico affiliato congiuntamente al NIST, il Joint Quantum Institute (JQI ) e il Joint Center for Quantum Information and Computer Science (QuICS) presso l’Università del Maryland a College Park e il Fermi National Accelerator Laboratory.

I ricercatori, che includono anche Jacob Taylor di NIST, JQI e QuICS; Sohitri Ghosh di JQI e QuICS; e Gordan Krnjaic del Fermi National Accelerator Laboratory, calcolano che il loro metodo può cercare particelle di materia oscura con una massa minima circa la metà di quella di un granello di sale, o circa un miliardo di miliardi di volte la massa di un protone. Gli scienziati riferiscono le loro constatazioni oggi in Physical Review D .

Poiché l’unica incognita nell’esperimento è la massa della particella di materia oscura, non il modo in cui si accoppia alla materia ordinaria “, se qualcuno costruisce l’esperimento che suggeriamo, trova la materia oscura o esclude tutti i candidati della materia oscura su una vasta gamma di possibili masse “, ha detto Carney. L’esperimento sarebbe sensibile a particelle che vanno da circa 1 / 5.000 di milligrammo a pochi milligrammi.

Quella scala di massa è particolarmente interessante perché copre la cosiddetta massa di Planck, una quantità di massa determinata unicamente da tre costanti fondamentali della natura ed equivalente a circa 1 / 5.000 di grammo.

Carney, Taylor e i loro colleghi propongono due schemi per il loro esperimento gravitazionale sulla materia oscura. Entrambi coinvolgono minuscoli dispositivi meccanici di dimensioni millimetriche che agiscono come rivelatori gravitazionali squisitamente sensibili. I sensori sarebbero raffreddati a temperature appena sopra lo zero assoluto per ridurre al minimo il rumore elettrico correlato al calore e schermati dai raggi cosmici e da altre fonti di radioattività. In uno scenario, una miriade di pendoli altamente sensibili si devieranno leggermente in risposta allo strattone di una particella di materia oscura che passa.

Dispositivi simili (con dimensioni molto più grandi) sono già stati impiegati nel recente rilevamento, vincitore del premio Nobel, di onde gravitazionali, increspature nel tessuto dello spazio-tempo previsto dalla teoria della gravità di Einstein. Specchi attentamente sospesi, che agiscono come pendoli, si muovono meno della lunghezza di un atomo in risposta al passaggio di un’onda gravitazionale.

In un’altra strategia, i ricercatori propongono di utilizzare sfere levitate da un campo magnetico o sfere levitate dalla luce laser. In questo schema, la levitazione viene disattivata all’inizio dell’esperimento, in modo che le sfere o le perle siano in caduta libera. La gravità di una particella di materia oscura che passa disturberebbe leggermente il percorso degli oggetti in caduta libera.

“Stiamo usando il movimento degli oggetti come nostro segnale”, ha detto Taylor. “Questo è essenzialmente diverso da ogni rilevatore di fisica delle particelle là fuori.”

I ricercatori calcolano che è necessaria una serie di circa un miliardo di minuscoli sensori meccanici distribuiti su un metro cubo per differenziare una vera particella di materia oscura da una particella ordinaria o da segnali elettrici casuali spuri o “rumore” che attivano un falso allarme nei sensori. Le particelle subatomiche ordinarie come i neutroni (che interagiscono attraverso una forza non gravitazionale) si fermerebbero in un unico rivelatore. Al contrario, gli scienziati si aspettano che una particella di materia oscura, che sfreccia oltre la matrice come un asteroide in miniatura, faccia oscillare gravitazionalmente ogni rivelatore sul suo percorso, uno dopo l’altro.

Il rumore farebbe muovere i singoli rivelatori in modo casuale e indipendente piuttosto che in sequenza, come farebbe una particella di materia oscura. Come bonus, il movimento coordinato dei miliardi di rivelatori rivelerebbe la direzione in cui era diretta la particella di materia oscura mentre sfrecciava attraverso la matrice.

Per fabbricare così tanti minuscoli sensori, il team suggerisce che i ricercatori potrebbero voler prendere in prestito tecniche che gli smartphone e le industrie automobilistiche utilizzano già per produrre un gran numero di rilevatori meccanici.

Grazie alla sensibilità dei singoli rilevatori, i ricercatori che utilizzano la tecnologia non devono limitarsi al lato oscuro. Una versione su scala ridotta dello stesso esperimento potrebbe rilevare le forze deboli delle onde sismiche distanti, nonché quella del passaggio di particelle subatomiche ordinarie, come i neutrini e i singoli fotoni a bassa energia (particelle di luce).

L’esperimento su scala più piccola potrebbe persino cercare particelle di materia oscura, se impartiscono un calcio abbastanza grande ai rilevatori attraverso una forza non gravitazionale, come prevedono alcuni modelli, ha detto Carney.

“Stiamo fissando l’ambizioso obiettivo di costruire un rilevatore di materia oscura gravitazionale, ma la ricerca e lo sviluppo necessari per raggiungere questo obiettivo aprirebbe la porta a molte altre misurazioni di rilevamento e metrologia”, ha detto Carney.

I ricercatori di altre istituzioni hanno già iniziato a condurre esperimenti preliminari utilizzando il progetto del team del NIST.

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