28 marzo 2024 (Notizie Nanowerk) Sin dalla sua scoperta, la materia oscura è rimasta invisibile agli scienziati, nonostante il lancio di numerosi esperimenti con rilevatori di particelle ultrasensibili in tutto il mondo nel corso di diversi decenni. Ora, i fisici dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia (DOE) stanno proponendo un nuovo modo di cercare la materia oscura utilizzando dispositivi quantistici, che potrebbero essere naturalmente sintonizzati per rilevare ciò che i ricercatori chiamano materia oscura termalizzata.
(Sinistra) La nuova proposta di rilevamento della materia oscura cerca frequenti interazioni tra i nuclei in un rilevatore e la materia oscura a bassa energia che potrebbe essere presente dentro e intorno alla Terra. (A destra) Un esperimento di rilevamento diretto convenzionale cerca rinculi occasionali dovuti alla diffusione della materia oscura. (Immagine: Anirban Das, Noah Kurinsky e Rebecca Leane) La maggior parte degli esperimenti sulla materia oscura cercano la materia oscura galattica, che viene lanciata sulla Terra direttamente dallo spazio, ma un altro tipo potrebbe essere rimasto in giro per la Terra per anni, ha detto la fisica dello SLAC Rebecca Leane, che era un autore sul nuovo studio (Physical Review Letters, “Potenza indotta dalla materia oscura nei dispositivi quantistici”).
"La materia oscura entra nella Terra, rimbalza molto e alla fine rimane intrappolata dal campo gravitazionale della Terra", ha detto Leane, portandola in un equilibrio che gli scienziati chiamano termalizzato. Nel corso del tempo, questa materia oscura termalizzata raggiunge una densità maggiore rispetto alle poche particelle galattiche sciolte, il che significa che potrebbe avere maggiori probabilità di colpire un rilevatore. Sfortunatamente, la materia oscura termalizzata si muove molto più lentamente della materia oscura galattica, il che significa che impartirebbe molta meno energia della materia oscura galattica – probabilmente troppo poca per essere vista dai rilevatori tradizionali.
Con questo in mente, Leane e il ricercatore post-dottorato dello SLAC Anirban Das hanno contattato Noah Kurinsky, uno scienziato dello SLAC e leader di un nuovo laboratorio focalizzato sulla rilevazione della materia oscura con sensori quantistici, che stava pensando a un enigma: anche quando i superconduttori sono raffreddato allo zero assoluto, rimuovendo tutta l'energia dal sistema e creando uno stato quantistico stabile, in qualche modo l'energia rientra e sconvolge lo stato quantistico.
In genere, gli scienziati presumono che ciò sia dovuto a sistemi di raffreddamento imperfetti o a qualche fonte di calore nell'ambiente, ha affermato Kurinksy. Ma potrebbe esserci un’altra ragione, ha detto: “E se in realtà avessimo un sistema perfettamente freddo, e il motivo per cui non possiamo raffreddarlo in modo efficace è perché è costantemente bombardato dalla materia oscura?” Das, Kurinsky e Leane si sono chiesti se i dispositivi quantistici superconduttori potessero essere riprogettati come rilevatori di materia oscura termalizzata. Secondo i loro calcoli, l’energia minima necessaria per attivare un sensore quantistico è sufficientemente bassa – circa un millesimo di elettronvolt – da poter rilevare la materia oscura galattica a bassa energia così come le particelle di materia oscura termalizzata in giro attorno alla Terra.
Naturalmente, ciò non significa che la materia oscura sia responsabile del guasto dei dispositivi quantistici, ma solo che è possibile. Il prossimo passo, hanno detto Leane e Kurinsky, è capire se e come possono trasformare sensibili dispositivi quantistici in rilevatori di materia oscura.
Detto questo, ci sono alcune cose da considerare. Per cominciare, forse esiste un materiale migliore con cui realizzare il dispositivo. "Per cominciare, stavamo cercando l'alluminio, e questo è solo perché è probabilmente il materiale meglio caratterizzato finora utilizzato per i rilevatori", ha affermato Leane. "Ma potrebbe risultare che, per il tipo di intervallo di massa che stiamo osservando e per il tipo di rilevatore che vogliamo utilizzare, forse esiste un materiale migliore." C'è anche la possibilità che la materia oscura termalizzata non interagisca con un dispositivo quantistico nello stesso modo in cui si sospetta che la materia oscura galattica interagisca con i dispositivi di rilevamento diretto, ha detto Leane. “In questo studio, stavamo solo pensando a un semplice caso in cui la materia oscura entra e rimbalza direttamente dal rilevatore, ma potrebbe fare molte altre cose”. Ad esempio, altre particelle potrebbero interagire con la materia oscura modificando il modo in cui sono distribuite le particelle nel rilevatore.
"Questa è una delle cose più belle dell'essere allo SLAC", afferma Leane.
(Sinistra) La nuova proposta di rilevamento della materia oscura cerca frequenti interazioni tra i nuclei in un rilevatore e la materia oscura a bassa energia che potrebbe essere presente dentro e intorno alla Terra. (A destra) Un esperimento di rilevamento diretto convenzionale cerca rinculi occasionali dovuti alla diffusione della materia oscura. (Immagine: Anirban Das, Noah Kurinsky e Rebecca Leane) La maggior parte degli esperimenti sulla materia oscura cercano la materia oscura galattica, che viene lanciata sulla Terra direttamente dallo spazio, ma un altro tipo potrebbe essere rimasto in giro per la Terra per anni, ha detto la fisica dello SLAC Rebecca Leane, che era un autore sul nuovo studio (Physical Review Letters, “Potenza indotta dalla materia oscura nei dispositivi quantistici”).
"La materia oscura entra nella Terra, rimbalza molto e alla fine rimane intrappolata dal campo gravitazionale della Terra", ha detto Leane, portandola in un equilibrio che gli scienziati chiamano termalizzato. Nel corso del tempo, questa materia oscura termalizzata raggiunge una densità maggiore rispetto alle poche particelle galattiche sciolte, il che significa che potrebbe avere maggiori probabilità di colpire un rilevatore. Sfortunatamente, la materia oscura termalizzata si muove molto più lentamente della materia oscura galattica, il che significa che impartirebbe molta meno energia della materia oscura galattica – probabilmente troppo poca per essere vista dai rilevatori tradizionali.
Con questo in mente, Leane e il ricercatore post-dottorato dello SLAC Anirban Das hanno contattato Noah Kurinsky, uno scienziato dello SLAC e leader di un nuovo laboratorio focalizzato sulla rilevazione della materia oscura con sensori quantistici, che stava pensando a un enigma: anche quando i superconduttori sono raffreddato allo zero assoluto, rimuovendo tutta l'energia dal sistema e creando uno stato quantistico stabile, in qualche modo l'energia rientra e sconvolge lo stato quantistico.
In genere, gli scienziati presumono che ciò sia dovuto a sistemi di raffreddamento imperfetti o a qualche fonte di calore nell'ambiente, ha affermato Kurinksy. Ma potrebbe esserci un’altra ragione, ha detto: “E se in realtà avessimo un sistema perfettamente freddo, e il motivo per cui non possiamo raffreddarlo in modo efficace è perché è costantemente bombardato dalla materia oscura?” Das, Kurinsky e Leane si sono chiesti se i dispositivi quantistici superconduttori potessero essere riprogettati come rilevatori di materia oscura termalizzata. Secondo i loro calcoli, l’energia minima necessaria per attivare un sensore quantistico è sufficientemente bassa – circa un millesimo di elettronvolt – da poter rilevare la materia oscura galattica a bassa energia così come le particelle di materia oscura termalizzata in giro attorno alla Terra.
Naturalmente, ciò non significa che la materia oscura sia responsabile del guasto dei dispositivi quantistici, ma solo che è possibile. Il prossimo passo, hanno detto Leane e Kurinsky, è capire se e come possono trasformare sensibili dispositivi quantistici in rilevatori di materia oscura.
Detto questo, ci sono alcune cose da considerare. Per cominciare, forse esiste un materiale migliore con cui realizzare il dispositivo. "Per cominciare, stavamo cercando l'alluminio, e questo è solo perché è probabilmente il materiale meglio caratterizzato finora utilizzato per i rilevatori", ha affermato Leane. "Ma potrebbe risultare che, per il tipo di intervallo di massa che stiamo osservando e per il tipo di rilevatore che vogliamo utilizzare, forse esiste un materiale migliore." C'è anche la possibilità che la materia oscura termalizzata non interagisca con un dispositivo quantistico nello stesso modo in cui si sospetta che la materia oscura galattica interagisca con i dispositivi di rilevamento diretto, ha detto Leane. “In questo studio, stavamo solo pensando a un semplice caso in cui la materia oscura entra e rimbalza direttamente dal rilevatore, ma potrebbe fare molte altre cose”. Ad esempio, altre particelle potrebbero interagire con la materia oscura modificando il modo in cui sono distribuite le particelle nel rilevatore.
"Questa è una delle cose più belle dell'essere allo SLAC", afferma Leane.
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- Fonte: https://www.nanowerk.com/news2/space/newsid=64933.php
