Segnale sconosciuto da Andromeda – “C’è qualcosa là fuori che non possiamo ancora capire”.


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l’ammasso di galassie di Perseus.

“Questa idea che c’è qualcosa che ancora non riusciamo a percepire è una di quelle cose che mi fa venire i brividi lungo la spina dorsale”, ha detto Harry Nelson, professore di fisica all’Università della California, Santa Barbara.

“La natura sta diventando timida”, ha detto Enectali Figueroa-Feliciano, professore associato di fisica al MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, che lavora su uno dei tre esperimenti alla ricerca di materia oscura che continuano fino ad oggi nel 2018. “C’è qualcosa che semplicemente non capiamo sulla struttura interna di come funziona l’universo. Quando i teorici scrivono tutti i modi in cui la materia oscura potrebbe interagire con le nostre particelle, trovano, per i modelli più semplici, che avremmo già dovuto vederla. Quindi, anche se non l’abbiamo ancora trovato, c’è un messaggio che stiamo cercando di decodificare adesso.

“Stiamo tutti cercando e da qualche parte, forse anche adesso, ci sono un po’ di dati che faranno sì che qualcuno abbia un’esclamazione ‘Ah ha!'”, ha detto Nelson, responsabile scientifico dell’aggiornamento LUX, chiamato LUX-ZEPLIN. Gli scienziati sanno da tempo che la materia oscura è là fuori, orchestrando silenziosamente il movimento e la struttura dell’universo. Ma di cosa è fatta esattamente la materia oscura? E che aspetto ha una particella di materia oscura? Questo rimane un mistero, con esperimenti dopo esperimenti a mani vuote nella ricerca di queste particelle sfuggenti.

Con una sensibilità dieci volte superiore a quella dei precedenti rivelatori, tre esperimenti di materia oscura hanno scienziati che incrociano le dita per poter finalmente intravedere queste particelle a lungo ricercate. In precedenti conversazioni con la Fondazione Kavli, gli scienziati che lavoravano a questi nuovi esperimenti hanno espresso la speranza che avrebbero catturato la materia oscura, ma hanno anche convenuto che, alla fine, spetta alla natura decidere il loro successo o fallimento.

Studiando i dati raccolti dalla navicella spaziale XMMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea, un team di ricercatori ha osservato uno strano picco di emissioni di raggi X provenienti da due diversi oggetti celesti – la galassia di Andromeda e l’ammasso galattico di Perseus che corrisponde a nessuna particella o atomo conosciuto e quindi potrebbe essere stato prodotto dalla materia oscura. L’immagine di copertina mostra l’emissione di raggi X dal nucleo dell’ammasso di Perseus (in rosso), come osservato dall’Osservatorio Chandra; l’emissione radio dal buco nero supermassiccio centrale è mostrata in blu.

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Il nucleo della galassia di Andromeda.

“La distribuzione del segnale all’interno della galassia corrisponde esattamente a ciò che ci aspettavamo con la materia oscura – cioè concentrata e intensa al centro degli oggetti e più debole e diffusa sui bordi”, ha detto il co-autore dello studio Oleg Ruchayskiy.

Il primo degli esperimenti, chiamato Axion Dark Matter eXperiment, cerca un tipo teorico di particella di materia oscura chiamata assione. ADMX cerca la prova di questa particella estremamente leggera che si converte in un fotone nell’alto campo magnetico dell’esperimento. Variando lentamente il campo magnetico, il rivelatore va a caccia di una massa assiale alla volta.

“Abbiamo dimostrato di avere gli strumenti necessari per vedere gli assi”, ha detto Gray Rybka, assistente professore di fisica presso l’Università di Washington. “Con Gen2, stiamo comprando un frigorifero molto, molto potente che arriverà molto presto.

Una volta che arriverà, saremo in grado di scansionare molto, molto velocemente e pensiamo di avere maggiori possibilità di trovare assioni – se sono là fuori”.

I nuovi risultati dell’ADMX dell’Università di Washington suggeriscono che l’ADMX di aprile scorso è ora abbastanza ben sintonizzato da rilevare gli assioni, una particella teorica a bassa massa che molti fisici ritengono possa spiegare la materia oscura.

L’ADMX ha più di 20 anni ed è stato messo online per la prima volta nel 1995 presso il Lawrence Livermore National Laboratory. Nel 2010, è stato trasferito all’Università di Washington, dove da allora è in procinto di essere aggiornato. “Questo esperimento preannuncia una nuova era di sonde ultrasensibili di materia oscura assiale a bassa massa”, hanno scritto i ricercatori nell’articolo.

L’ADMX è tecnicamente noto come un aloscopio assiale, che Rybka ha paragonato ad un grande ricevitore radio.

“Se si pensa ad una radio AM, è esattamente così”, ha detto Rybka in una dichiarazione. “Abbiamo costruito una radio che cerca una stazione radio, ma non ne conosciamo la frequenza. Giriamo lentamente la manopola mentre ascoltiamo. Idealmente sentiremo un tono quando la frequenza è quella giusta”.

Gli altri due nuovi esperimenti cercano un diverso tipo di materia oscura teorica chiamata WIMP. Acronimo di Weakly Interacting Massive Particle, il WIMP interagisce con il nostro mondo molto debolmente e molto raramente. L’esperimento Large Underground Xenon, o LUX, iniziato nel 2009, ha ricevuto un aggiornamento per aumentare la sua sensibilità ai WIMP più pesanti. L’esperimento è una camera di proiezione temporale di 370 kg di xenon liquido che mira a rilevare direttamente la materia oscura galattica in un laboratorio sotterraneo a 1 miglio sotto terra, sulle Black Hills del South Dakota.

Nel frattempo, la collaborazione Super Cryogenic Dark Matter Search, che dal 2013 ha cercato il segnale di un WIMP leggero che passa attraverso il suo rivelatore, ha finalizzato il progetto dell’esperimento in Canada.

La collaborazione SuperCDMS è stata pioniera nell’uso di rivelatori a bassa temperatura a stato solido per la ricerca della rara diffusione di particelle di materia oscura con nuclei atomici. Questa tecnologia fornisce un’eccellente ricezione di fondo, informazioni dettagliate su ogni interazione e soglie di energia molto basse, consentendo una sensibilità senza precedenti soprattutto per le particelle di materia oscura con piccole masse.

L’esperimento SuperCDMS di nuova generazione (G2) opererà nel laboratorio sotterraneo più profondo del Nord America, SNOLAB, per fornire una schermatura dalle particelle di raggi cosmici ad alta energia. Comprenderà un sistema criogenico progettato per mantenere i rivelatori a temperature entro una frazione di grado sopra lo zero assoluto, e speciali materiali di schermatura puliti per escludere gli sfondi radioattivi dall’ambiente.

l’esperimento SuperCDMS SNOLAB, che inizierà le operazioni nei primi anni 2020 a caccia di ipotetiche particelle di materia oscura chiamate particelle massive debolmente interagenti, o WIMPs. L’esperimento sarà almeno 50 volte più sensibile del suo predecessore, esplorando proprietà WIMP che non possono essere sondate da altri esperimenti e fornendo ai ricercatori un nuovo potente strumento per comprendere uno dei più grandi misteri della fisica moderna.

“In un certo senso è come cercare l’oro”, ha detto Figueroa-Feliciano, membro dell’esperimento SuperCDMS. “Harry ha la sua padella e sta cercando l’oro in uno stagno profondo, e noi stiamo cercando in uno stagno leggermente meno profondo, e Gray è un po’ a monte, guardando nel suo posto. Non sappiamo chi troverà l’oro perché non sappiamo dove sia”.

Rybka è d’accordo, ma ha aggiunto la prospettiva più ottimistica che è anche possibile che tutti e tre gli esperimenti possano trovare materia oscura. “Non c’è niente 

che richieda che la materia oscura sia composta da un solo tipo di particelle, a parte la speranza che sia così semplice”, ha detto. “La materia oscura potrebbe essere un terzo di assi, un terzo di WIMP pesanti e un terzo di WIMP leggeri. Sarebbe perfettamente accettabile da tutto quello che abbiamo visto”.

Tuttavia, la pepita d’oro che tutti e tre gli esperimenti ricercano non è ancora stata individuata. E anche se la ricerca è difficile, tutti e tre gli scienziati sono d’accordo che ne vale la pena perché intravedere la materia oscura rivelerebbe la visione di una grande porzione oscura dell’universo. Dopo decenni di ricerche, la materia oscura e l’energia oscura rimangono sfuggenti. 

È ora di ammettere che la cosmologia è intrappolata da forze ancora a noi sconosciute?

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