Sotto una città rurale, alla ricerca delle fondamenta dell’universo

Hanno già prove allettanti della sua esistenza. Il loro esperimento confermerà queste scoperte, e metterà qualcuno sulla strada giusta per un premio Nobel, o le smentirà, suggerendo, forse, che c’è qualcosa di fondamentale nell’universo che semplicemente non capiamo.

laboratorio sotterraneo

La cosa più inaspettata dell’essere a 1.025 metri sotto la superficie terrestre è che fa molto caldo e umido. Arrivare in fondo a una miniera è come atterrare in un aeroporto su un’isola tropicale, tranne per il fatto che è tutto nero e sporco e devi portare con te la tua scorta di ossigeno di emergenza.

L’asta è stretta, affilata e tortuosa. La nostra Toyota HiLux impiega circa 30 minuti per percorrere otto chilometri in discesa, il pozzo svolta bruscamente a sinistra e poi si apre improvvisamente. Scendiamo ed entriamo in un’enorme stanza scavata nella roccia.

All’ingresso del laboratorio di materia oscura.credito:Joe Armau

Elisabetta Barberio fa scorrere la mano lungo le pareti ondulate. Dipinta di bianco e inondata di riflettori, ha la qualità di una cattedrale sotterranea. Le nostre voci risuonano fino al soffitto alto 14 metri.

“Siamo a un punto della fisica in cui tutto ciò che pensiamo di sapere è solo una piccola parte dell’universo”, dice.

È un’esploratrice alla ricerca di una particella invisibile e intoccabile.

Cos’è la materia oscura?

Gli atomi che compongono te, me e tutto ciò che vediamo possono interagire con il mondo attraverso quattro forze della natura. La materia oscura riceve un solo elemento: la gravità. Non puoi toccarlo. Non riflette la luce. È un fantasma.

La sua storia inizia una frazione di secondo dopo il Big Bang.

L’universo primordiale era denso, caldo e pieno di materia oscura. Mentre si espandeva e si raffreddava, la materia oscura si espandeva con essa, come una palla di pasta stesa su un tavolo.

La materia oscura è stata prevista per la prima volta negli anni ’30 e solide prove si sono accumulate negli anni ’60, ma ci vollero fino agli anni ’90 perché gli scienziati trovassero davvero un modo.essere visto” Lui lei. A una distanza sufficientemente lunga, la luce è attratta dalla gravità; Gli scienziati hanno scoperto che possono tracciare questo percorso poiché la luce è distorta dalla gravità della materia oscura e produrre una mappa.

Tutti sapevano che fuori c’era molta materia oscura. Ma le prime mappe sono ancora uno shock.

“La galassia visibile è solo una piccola cosa nel mezzo di questo enorme corpo oscuro”, afferma il professor Kenneth Freeman, astronomo dell’Australian National University che ha dato diversi importanti contributi al campo.

“Non sai cosa sia, ma è lì. Ha completamente cambiato le nostre idee su come si sono formate le galassie e su come si è evoluto l’universo”.

Il big bang ha inviato frammenti fisici di particelle attraverso l’universo. Quando i fisici simulano il Big Bang su supercomputer senza materia oscura, l’universo che ottengono non assomiglia al nostro.

Mappa della distribuzione della materia oscura nell'universo.  Le aree luminose rappresentano le concentrazioni più elevate - sono anche il luogo in cui si formano le galassie.

Mappa della distribuzione della materia oscura nell’universo. Le aree luminose rappresentano le concentrazioni più elevate – sono anche il luogo in cui si formano le galassie.

trasformare il caos in Le cose, Qualcosa ha bisogno di forma. Nel nostro mondo, la rete della materia oscura svolge questo ruolo. La sua gravità mette in forma l’universo. Il gas si trasforma in stelle e la polvere in pianeti.

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“Una volta aggiunta la materia oscura, i Sims sono straordinariamente bravi a riprodurre ciò che vediamo”, afferma la professoressa Tamara Davis, astrofisica dell’Università del Queensland.

“Il fatto che ci sia qualcosa là fuori che deve essere spiegato è senza dubbio.

“Ora abbiamo misurato molte delle sue proprietà, ma non sappiamo ancora cosa sia”.

Il potere delle WIMP

Da oltre 50 anni gli scienziati lo cercano. Diversi candidati, come i buchi neri, sono stati esclusi. L’esploratore è ora addestrato alle WIMP: l’interazione debole di particelle massicce.

I fisici credono che queste particelle sarebbero pesanti e lente, fluttuando attraverso la materia ordinaria quasi senza lasciare traccia e interagendo con il nostro mondo principalmente attraverso la gravità. Non è costituito dagli elettroni e dai protoni che compongono i nostri atomi, ma da qualcos’altro.

“È come questo universo parallelo di materia oscura seduto in cima a ciò che vediamo nella vita di tutti i giorni”, afferma il professor Ulrik Egede, fisico delle particelle alla Monash University.

Finora nessuno ne ha trovato uno, non attraverso anni di ricerche, né frantumando gli atomi insieme sempre più forte nel Large Hadron Collider.

Beh, quasi nessuno. C’è una fabbrica sepolta sotto una montagna in Italia che sente un segnale molto curioso. Più su quello in un momento.

La professoressa Elisabetta Barberio si trova all'interno di un laboratorio sotterraneo.

La professoressa Elisabetta Barberio si trova all’interno di un laboratorio sotterraneo.credito:Joe Armau

Ci sono voluti otto mesi per scavare nel sottosuolo della Cattedrale di Barberio, ed è stato fatto saltare fuori dal basalto con incrementi di quattro metri. Abbiamo già scavato 200 chilometri di gallerie. “Elizabetta ne voleva uno tutto suo”, afferma Troy Cole, direttore generale di Stawell Gold Mines.

Bulloni da roccia di sei metri sono stati perforati nelle pareti per fissarli, quindi il tutto è stato coperto con uno strato di calcestruzzo proiettato e due strati di TekFlex per bloccare le radiazioni. Gli ingegneri minerari dicono che qui c’è tanta ingegneria quanto il Burnley Tunnel. Poi arriverà una gru di 10 metri, per movimentare lo scudo di ferro e polietilene da 200 tonnellate che coprirà il rilevatore.

Quando sono venuto qui per la prima volta nel 2014, Barberio ricorda di aver raccolto ragnatele e vecchi macchinari abbandonati. La miniera stava morendo.

La storia dell’estrazione dell’oro a Stawell risale al 1850, quando decine di migliaia di cercatori d’oro furono attratti dai campi d’oro della città, attratti dai sogni di una pepita per guadagnare le loro fortune.

Circa 250 chilometri del tunnel si snodano ora sotto Stawell, ma delle pepite non rimane nulla. Invece, pile di minerale frantumato vengono portate in superficie e poi lavorate per estrarre la piccola quantità di oro – forse quattro cucchiaini da tè per camion.

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I camion entrano nella miniera.  Un vassoio pieno di sassi produce circa due cucchiaini d'oro.

I camion entrano nella miniera. Un vassoio pieno di sassi produce circa due cucchiaini d’oro.credito:Joe Armau

“Abbiamo esaurito il minerale”, afferma David Coe, direttore di salute, sicurezza, ambiente e società per Stawell Gold Mines. “Avevamo raggiunto una profondità di 1.646 metri e non c’era più minerale da inseguire. E sapevamo che alla fine avremmo chiuso i battenti”.

Nel 2012, Stawell Gold Mines ha iniziato a cercare un futuro per la miniera (un’idea che fortunatamente non è mai venuta alla luce: trasformare la miniera in una fattoria di funghi sotterranea). Per coincidenza, l’astrofisico di Swinburne Jeremy Mold ha iniziato una campagna di scrivere lettere alle miniere sotterranee del paese, alla ricerca di un posto dove ospitare un piccolo esperimento sulla materia oscura. Separatamente, il professor Barberio – che ha sede presso l’Università di Melbourne e attuale direttore del New Center for Dark Particle Physics – ha parlato con i suoi colleghi italiani per condurre le proprie ricerche sulla materia oscura.

I tre gruppi si sono incontrati e nel 2014 hanno visitato il sito della miniera, scoprendo di essere perfetti. La pianificazione per il laboratorio è iniziata sul serio.

Poi, nel 2016, il terreno è scomparso da sotto i loro piedi. I proprietari della miniera hanno messo il sito in modalità custode. Cole, che ha lavorato sul sito dal 1998, ha dovuto guardare come 250 dipendenti si sono ridotti a soli 12. Il laboratorio sembrava finito.

Nel 2017, Arete Capital Partners, un gruppo di private equity globale, ha acquistato la miniera e ha ripreso le operazioni. Nel frattempo, gli scienziati hanno riunito una coalizione di finanziatori tra cui il governo federale e statale e l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano.. Nel 2019, con un finanziamento sicuro, sono iniziati i lavori di scavo; La speranza è che il laboratorio sia operativo il prossimo anno.

Si spera che il lavoro prosegua per almeno 50 anni, attirando studiosi e investimenti da tutto il mondo. Non c’è niente di simile nell’emisfero australe. Il lavoro a tempo pieno in miniera è tornato a 243.

“Ha sicuramente attraversato un ottovolante di emozioni”, dice Cole. “Da un settore che era sovraffollato, a dov’è ora, va bene”.

ridurre il rumore”

Perché dedicare così tanto impegno alla costruzione di un laboratorio sotterraneo? Perché per rilevare il segnale impossibilmente debole della materia oscura, bisogna prima mettere a tacere il ruggito assordante dell’universo.

La radiazione appare costante sul rivelatore di materia oscura. e Tutto quanto Emettono radiazioni, persino le banane. Questo è uno dei motivi per cui qui fa così caldo: le rocce intorno a noi contengono minuscole tracce di uranio, che si decompone e rilascia calore.

Prendete la colata del pavimento in cemento del laboratorio. Il team di Barberio ha trascorso sei mesi a testare campioni di cemento per i livelli di radiazioni, alla fine optando per un prodotto speciale di Brisbane. Quando i ricercatori raggiungeranno il laboratorio, dovranno fare una doccia, per timore che i loro corpi portino minuscole particelle di radiazioni dalla superficie.

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Nei prossimi mesi, la gru inserirà con cautela il rilevatore di materia oscura, che sembra un enorme barile di petrolio costellato di cavi spessi.

All’interno, in un bagno chimico, c’è un insieme di tubi cavi di rame. All’interno di quei tubi ci sono sette cristalli di ioduro di sodio drogati con tallio ultra puri, i cristalli più puri mai realizzati.

Spegni il rilevatore di materia oscura.  I tubi di rame contenenti i cristalli sono al centro.

Spegni il rilevatore di materia oscura. I tubi di rame contenenti i cristalli sono al centro.

Come la materia oscura, anche questi cristalli sono strani artefatti. Gli atomi nei cristalli si impilano così strettamente che, in teoria, una particella di materia oscura dovrebbe scontrarsi con una singola particella. Se funziona, il tester pensa che potrebbe avere tre collisioni al mese. Queste collisioni rilasceranno energia che può essere raccolta da una serie di rilevatori che circondano i cristalli.

“Il cristallo vedrà tutto. Se vede la materia oscura, produrrà luce”, afferma Barberio.

Il che ci porta al laboratorio in Italia, sepolto sotto il Monte.

Per 20 anni, gli scienziati che lavorano in un laboratorio sotto il Gran Sasso, una vetta innevata nella catena appenninica, affermano di aver scoperto la materia oscura.

Quasi nessuno ci crede. Un sacco di altri esperimenti che esaminano la stessa gamma non hanno trovato nulla. “Ci sono molti altri esperimenti sulla Terra alla ricerca della materia oscura, e non hanno visto nulla, non hanno visto un indizio”, dice Egged.

Così ha detto, Nessuno potrebbe mostrare Buona spiegazione di ciò che vedono anche gli italiani.

Forse la parte più avvincente del segno degli italiani è il modo in cui cambia. Immagina il pianeta Terra in orbita attorno al sole, il sole stesso che si muove attraverso la rete di materia oscura invisibile. In estate, il percorso orbitale della Terra lo porta nella stessa direzione del Sole, e in inverno lo prende nella direzione opposta. Questo è esattamente ciò che vedono gli italiani: più velocemente la Terra si muove attraverso la materia oscura in estate, più forte è il segnale e in inverno si indebolisce.

Ecco perché il laboratorio Stawell è stato costruito con un reagente identico agli italiani. Se trovi lo stesso cartello, sarà una prova “molto solida”, dice Egged, che è ora di iniziare a prenotare i biglietti per Stoccolma.

Quello che succede se non trovano un segnale è più interessante. Perché stiamo rapidamente arrivando al punto in cui i rivelatori sono abbastanza sensibili da non avere un posto dove nascondere la materia oscura.

La scienza funziona proponendo una teoria e poi testandola finché non si rompe. Forse tra 20 anni saremo a quel punto con la materia oscura. “Se non abbiamo ancora visto la materia oscura, è difficile vedere come possiamo”, dice Egged.

Questo apre una seconda possibilità: qualcosa sta piegando la luce ed esercitando un’enorme forza gravitazionale sulle galassie che non capiamo. Un po’ di nuova fisica.

“Concetto [that] La nostra legge di gravitazione potrebbe essere sbagliata, afferma la professoressa dell’Università del Queensland Tamara Davis, “rimane una proposta vivente”.

Barberio non è preoccupato. “Sempre di più, pensiamo che la materia oscura sia più complessa di quanto pensassimo inizialmente”, dice.

Dice la professoressa Elisabetta Barberio:

“Pensiamo che la materia oscura sia più complessa di quanto pensassimo inizialmente”, afferma la professoressa Elisabetta Barberio.credito:Joe Armau

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