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Pendoli a miliardi per imbrigliare la materia oscura

Come porre un limite superiore alla massa delle particelle di materia oscura? Un team di ricercatori del Nist (Usa) suggerisce di realizzare un cubo di qualche metro per lato costituito da miliardi di pendoli meccanici, con dimensioni millimetriche, che verrebbero azionati in sequenza – per effetto gravitazionale – dal passaggio di eventuali particelle di massa pari almeno a quella di Planck

     16/10/2020
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La struttura tridimensionale del rivelatore gravitazionale di particelle di materia oscura proposto da Carney et al. Crediti: National Institute of Standards and Technology (Nist)

Di tutto il contenuto dell’universo, circa il 69 per cento è energia oscura. Poi c’è la materia “ordinaria” – per intenderci la materia di cui siamo fatti e che riusciamo a vedere – che rappresenta solo il 4.9 per cento. Il resto, pari al 26.6 per cento, è costituito da materia sin ora sfuggente all’osservazione, inafferrabile da qualunque rivelatore, e per questo chiamata materia oscura.

In un articolo pubblicato di recente sulla rivista Physical Review D, un team di astronomi guidati dal National Institute of Standards and Technology (Nist) ha proposto un nuovo modo per scovare questa misteriosa materia: l’utilizzo di miliardi di “pendoli” di dimensioni millimetriche il cui movimento, indotto per effetto dell’interazione gravitazionale con le particelle di materia oscura, rivelerebbe il loro passaggio.

Un esperimento che facesse uso di questa tecnologia, spiegano i ricercatori, non solo sarebbe il primo a dare la caccia alla materia oscura esclusivamente attraverso l’interazione gravitazionale con la materia visibile, ma sarebbe anche uno dei pochi con le potenzialità per scovare particelle di massa pari a quella di un granello di sale – una scala raramente esplorata e mai studiata da rivelatori in grado di registrare minuscole forze gravitazionali.

«La nostra proposta si basa esclusivamente sull’accoppiamento gravitazionale, l’unica interazione che sappiamo per certo esista tra materia oscura e materia ordinaria», osserva Daniel Carney, fisico teorico al Nist e al Fermi National Accelerator Laboratory e co-autore della pubblicazione. «Se qualcuno costruisse l’esperimento che suggeriamo, o trova la materia oscura o esclude tutti i candidati su una vasta gamma di possibili masse».

Lo schema dell’esperimento proposto è “semplice”: circa un miliardo di minuscoli pendoli meccanici distribuiti all’interno di una struttura cubica da 10 metri per lato, che agisco come singoli sensori oscillando al passaggio della fantomatica particella di materia oscura spinti dalla sua forza gravitazionale.

Ma perché giusto questa configurazione? Secondo i loro calcoli, sarebbe quella ideale per discriminare il segnale prodotto da una particella di materia oscura da quello prodotto da una particella ordinaria, da segnali elettrici spuri o da “rumore”. Le particelle subatomiche ordinarie come i neutroni perturberebbero un singolo pendolo, spiegano i ricercatori. Il rumore farebbe muovere più pendoli contemporaneamente ma in modo casuale.

Gli scienziati si aspettano che una particella di materia oscura che sfrecci all’interno della matrice faccia invece oscillare ciascun sensore in sequenza. Il movimento coordinato dei miliardi di sensori rivelerebbe inoltre la direzione di provenienza della particella.

La struttura dovrebbe essere mantenuta a temperature appena superiori allo zero assoluto, per ridurre al minimo il rumore elettrico correlato al calore, e schermata dai raggi cosmici e da altre fonti di radioattività.

Per evitare movimenti accidentali dei pendoli durante le fasi iniziali di un eventuale esperimento, gli autori propongono di bloccare i sensori in caduta libera mediante levitazione magnetica o con luce laser, da disattivare all’inizio dell’esperimento.

La possibilità è di rivelare particelle che vanno da qualche microgrammo a pochi milligrammi, un intervallo di masse particolarmente interessante perché contiene la cosiddetta massa di Planck, una quantità equivalente a circa 22 microgrammi, determinata unicamente da tre costanti fondamentali della natura.

Grazie a questa sensibilità, l’utilizzo di queste matrici potrebbe andare oltre la ricerca di materia oscura: una versione su scala ridotta dello stesso esperimento potrebbe rilevare, ad esempio, le deboli perturbazioni prodotte da onde sismiche distanti, come pure il passaggio di particelle subatomiche ordinarie di tipo neutrinico e singoli fotoni a bassa energia.

«Stiamo definendo l’ambizioso progetto di un rivelatore gravitazionale di materia oscura», conclude Carney, «ma la ricerca e lo sviluppo necessari per raggiungere questo obiettivo potrebbero aprire la porta a molti altri rilevamenti e misurazioni metrologiche».

Per saperne di più:

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Correzione del 16.10.2020: nella composizione dell’universo era stato omesso il 69 per cento di energia oscura.