Materia Oscura: un nuovo rivelatore penetra i Misteri dell’Universo

I fisici hanno creato un rivoluzionario rivelatore in grado di sondare le particelle di materia oscura a masse incredibilmente basse, aprendo una nuova frontiera nella comprensione del cosmo.

Si ritiene che circa l’80% della massa dell’universo sia composta da materia oscura. Eppure, la natura e l’organizzazione delle sue particelle rimangono in gran parte sconosciute, lasciando i fisici con domande fondamentali irrisolte. Per investigare questa elusiva materia, gli scienziati lavorano per rilevare i fotoni, o particelle di luce, che possono essere prodotti quando le particelle di materia oscura si scontrano con la materia ordinaria che conosciamo.

Fino ad oggi, la maggior parte delle ricerche si è concentrata su particelle di materia oscura con masse paragonabili a quelle delle particelle elementari familiari. Se le particelle sono più leggere di un elettrone, gli strumenti più avanzati oggi in uso, basati su xeno liquido, hanno poche probabilità di registrarle.

Nessun esperimento ha finora osservato direttamente la materia oscura. Questa assenza di risultati è comunque importante, poiché esclude l’esistenza di particelle di materia oscura entro specifici intervalli di massa e forze di interazione già testati.

Un nuovo dispositivo sensibile a eventi a bassissima energia

Un team internazionale guidato da Laura Baudis, Titus Neupert, Björn Penning e Andreas Schilling del Dipartimento di Fisica dell‘Università di Zurigo (UZH) è ora riuscito a sondare l’esistenza di particelle di materia oscura in un ampio intervallo di massa, al di sotto di un mega elettronvolt ($MeV$). Utilizzando un rivelatore di singoli fotoni a nanofili superconduttori (SNSPD) migliorato, i ricercatori hanno raggiunto una soglia di sensibilità pari a circa un decimo della massa di un elettrone, un limite al di sopra del quale è altamente improbabile che esistano particelle di materia oscura. L’articolo originale è leggibile a questo link.

Un SNSPD

“È la prima volta che riusciamo a cercare particelle di materia oscura in un intervallo di massa così basso, reso possibile da una nuova tecnologia di rivelazione“, afferma la prima autrice Laura Baudis.

In una prova di concetto del 2022, i ricercatori avevano testato il primo dispositivo SNSPD, altamente sensibile a fotoni a bassa energia. Quando un fotone colpisce il nanofilo, lo riscalda leggermente, facendogli perdere istantaneamente la sua superconduttività. Il filo diventa brevemente un conduttore normale e il conseguente aumento della resistenza elettrica può essere misurato.

Per il loro ultimo esperimento, gli scienziati dell’UZH hanno ottimizzato il loro SNSPD per il rilevamento della materia oscura. In particolare, lo hanno dotato di microfili superconduttori al posto dei nanofili per massimizzarne la sezione d’urto e gli hanno conferito una geometria piana e sottile che lo rende altamente sensibile ai cambiamenti di direzione.

Gli scienziati presumono che la Terra attraversi un “vento” di particelle di materia oscura e che la direzione delle particelle cambi nel corso dell’anno a seconda della velocità relativa. Un dispositivo in grado di rilevare i cambiamenti direzionali può aiutare a filtrare gli eventi non legati alla materia oscura.

“Ulteriori miglioramenti tecnologici all’SNSPD potrebbero permetterci di rilevare segnali da particelle di materia oscura con masse ancora più piccole. Vogliamo anche installare il sistema sottoterra, dove sarà meglio schermato da altre fonti di radiazioni”, afferma Titus Neupert.

Perché una scoperta così astratta sulla materia oscura dovrebbe interessare l’economia e la nostra società?

Sebbene la ricerca della materia oscura sembri puramente teorica, la sua importanza è immensa. Le tecnologie create per questa caccia cosmica, come questi rivelatori superconduttori ultra-sensibili, sono la vera rivoluzione. Tali strumenti spingono i limiti del possibile e possono avere ricadute tecnologiche incalcolabili in settori come il computing quantistico, la diagnostica medica di precisione (imaging a bassissima energia) e le comunicazioni sicure. Stumenti che rilevano la materia oscura a bassissima intensità sono un passo avanti per tutta la tecnologia che si basa sulle misurazioni di bassissimi livelli d’energia.