Alla ricerca della materia oscura utilizzando i rilevatori quantistici più freddi del mondo

Potremmo essere un passo avanti verso la risoluzione di uno dei più grandi misteri della scienza. Circa l’80% della materia nell’universo è oscura, ovvero non può essere vista. In effetti, la materia oscura attraversa costantemente i nostri corpi, forse a una velocità di trilioni di particelle al secondo.

Sappiamo che esistono perché possiamo vedere gli effetti della loro gravità, ma gli esperimenti condotti finora non sono riusciti a rilevarli.

Sfruttando le più recenti tecnologie quantistiche, gli scienziati della Lancaster University, dell’Università di Oxford e della Royal Holloway University di Londra stanno costruendo i rilevatori di materia oscura più sensibili mai realizzati.

La loro mostra pubblica, A Quantum View of the Invisible Universe, sarà esposta quest’anno alla mostra più importante della Royal Society Fiera estiva della scienza Dal 2 al 7 luglio 2024. Sono in corso anche ricerche correlate pubblicato Nel Giornale di fisica delle basse temperature.

I ricercatori includono il dottor Michael Thompson, il professor Edward Leread, il dottor Dmitry Zmeev e il dottor Samuli Otti di Lancaster, il professor Jocelyn Munro di Oxford e il professor Andrew Casey della RHUL.

Il dottor Otte, membro del Consiglio di ricerca di ingegneria e fisica, ha dichiarato: “Stiamo utilizzando tecniche quantistiche a temperature estremamente basse per costruire i rilevatori più sensibili fino ad oggi. L’obiettivo è osservare questa misteriosa sostanza direttamente in laboratorio e risolvere uno dei i più grandi misteri della scienza.”

Esistono prove osservative indirette che suggeriscono una tipica densità di materia oscura in una galassia, ma le masse delle sue particelle costituenti e le loro possibili interazioni con gli atomi ordinari sono sconosciute.

La teoria della fisica delle particelle suggerisce due possibili candidati per la materia oscura: nuove particelle con interazioni così deboli che non le abbiamo ancora osservate, e particelle molto leggere, simili a onde, chiamate assioni. Il team sta costruendo due esperimenti, uno da cercare per ciascuno.

Tra i candidati, nuove particelle con interazioni ultradeboli potrebbero essere scoperte attraverso collisioni con la materia ordinaria. Tuttavia, se queste collisioni possano essere identificate in un esperimento dipende dalla massa della materia oscura analizzata. La maggior parte delle ricerche finora è stata in grado di rilevare particelle di materia oscura che sono tra cinque e mille volte più pesanti di un atomo di idrogeno, ma è possibile che esistano particelle di materia oscura più leggere che potrebbero non essere state scoperte.

Il team Quantum Enhanced Superfluidic Techniques for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) mira a raggiungere una sensibilità leader a livello mondiale per le collisioni con candidati di materia oscura con masse che vanno da 0,01 a pochi atomi di idrogeno. A tal fine, il rilevatore è costituito da elio-3 superfluido, raffreddato a uno stato quantistico microscopico e dotato di amplificatori quantistici superconduttori. La combinazione di queste due tecniche quantistiche crea la sensibilità per misurare le firme estremamente deboli delle collisioni di materia oscura.

Al contrario, se la materia oscura fosse composta da assioni, sarebbe molto leggera – più di un miliardo di volte più leggera di un atomo di idrogeno – ma corrispondentemente più abbondante. Gli scienziati non saranno in grado di rilevare le collisioni con gli assioni, ma potranno invece cercare un altro segnale: un segnale elettrico che si verifica quando gli assioni decadono in un campo magnetico.

Questo effetto può essere misurato solo utilizzando una lente di ingrandimento altamente sensibile che opera alla massima risoluzione consentita dalla meccanica quantistica. Pertanto, il team Quantum Sensors for the Hidden Sector (QSHS) sta sviluppando una nuova classe di amplificatori quantistici adatti alla ricerca del segnale dell’asse.

Il padiglione della mostra di quest’anno consentirà ai visitatori di vedere l’invisibile attraverso mostre interattive innovative adatte a tutte le età.

Per illustrare come deduciamo la materia oscura dall’osservazione delle galassie, troviamo un giroscopio in una scatola mossa in modi sorprendenti a causa del momento angolare invisibile. Troveremo anche sfere di vetro trasparenti nei liquidi, dimostrando come si possano osservare masse invisibili attraverso esperimenti intelligenti.

Un frigorifero a diluizione luminosa dimostrerà come il team raggiunge temperature estremamente basse, e un modello di un rilevatore di collisioni di particelle di materia oscura dimostrerà come si comporterebbe il nostro universo se la materia oscura si comportasse come la materia normale.

I visitatori possono quindi cercare la materia oscura utilizzando un tipico rilevatore di assioni scansionando la frequenza del ricevitore radio e possono anche creare il proprio amplificatore parametrico utilizzando un pendolo.

Il cosmologo Carlos Frenk, membro della Royal Society e presidente del Public Engagement Committee, ha dichiarato: “La scienza è vitale per aiutarci a comprendere il mondo in cui viviamo: passato, presente e futuro. Invito i visitatori di tutte le età a venire con una visione aperta mente, curiosità ed entusiasmo e celebrare gli straordinari risultati scientifici che avvantaggiano tutti noi”.