Alla ricerca della materia oscura in modo diverso – Physics World

La materia oscura costituisce circa l’85% della materia totale dell’universo e i cosmologi ritengono che abbia avuto un ruolo importante nella formazione delle galassie. Conosciamo la posizione di questa cosiddetta materia oscura galattica grazie a indagini astronomiche che mappano il modo in cui la luce proveniente da galassie lontane si piega mentre viaggia verso di noi. Ma finora, gli sforzi per rilevare la materia oscura intrappolata nel campo gravitazionale della Terra sono rimasti a mani vuote, anche se questo tipo di materia oscura – nota come materia oscura termalizzata – dovrebbe essere presente in quantità maggiori.

Il problema è che la materia oscura termalizzata viaggia molto più lentamente della materia oscura galattica, il che significa che la sua energia potrebbe essere troppo bassa per essere rilevata dagli strumenti convenzionali. I fisici del Laboratorio Nazionale SLAC negli Stati Uniti hanno ora proposto un’alternativa che prevede la ricerca della materia oscura termalizzata in un modo completamente nuovo, utilizzando sensori quantistici realizzati con bit quantici superconduttori (qubit).

Un approccio completamente nuovo

L'idea per il nuovo metodo è venuta da SLAC Noè Kurinsky, su cui stava lavorando riprogettare i qubit transmon come sensori attivi per fotoni e fononi. I qubit Transmon devono essere raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto (-273 °C) prima che diventino sufficientemente stabili da immagazzinare informazioni, ma anche a queste temperature estremamente basse, l’energia spesso rientra nel sistema e sconvolge gli stati quantistici dei qubit. L’energia indesiderata viene solitamente attribuita a un apparato di raffreddamento imperfetto o a qualche fonte di calore nell’ambiente, ma a Kurinsky venne in mente che potrebbe avere un’origine molto più interessante: “E se avessimo effettivamente un sistema perfettamente freddo, e il motivo per cui possiamo? "non lo raffredda in modo efficace perché è costantemente bombardato dalla materia oscura?"

Mentre Kurinsky rifletteva su questa nuova possibilità, il suo collega dello SLAC Rebecca Leane stava sviluppando un nuovo quadro per calcolare la densità prevista della materia oscura all'interno della Terra. Secondo questi nuovi calcoli, con cui Leane ha eseguito Anirban Das (ora ricercatore post-dottorato presso l’Università Nazionale di Seoul, in Corea), questa densità locale di materia oscura potrebbe essere estremamente elevata sulla superficie terrestre, molto più elevata di quanto si pensasse in precedenza.

"Das e io avevamo discusso su quali possibili dispositivi a bassa soglia potessero sondare questa elevata densità di materia oscura prevista, ma con poca esperienza precedente in questo settore, ci siamo rivolti a Kurinsky per un input vitale", spiega Leane. “Das ha quindi eseguito calcoli di diffusione utilizzando nuovi strumenti che consentono di calcolare il tasso di diffusione della materia oscura utilizzando la struttura fononica (vibrazione reticolare) di un dato materiale”.

Soglia di energia bassa

I ricercatori hanno calcolato che un sensore quantistico di materia oscura si attiverebbe a energie estremamente basse di appena un millesimo di elettronvolt (1 meV). Questa soglia è molto inferiore a quella di qualsiasi rilevatore di materia oscura comparabile e implica che un sensore quantistico di materia oscura potrebbe rilevare la materia oscura galattica a bassa energia così come le particelle di materia oscura termalizzata intrappolate attorno alla Terra.

I ricercatori riconoscono che resta ancora molto lavoro da fare prima che un tale rilevatore veda la luce. Per prima cosa, dovranno identificare il materiale migliore per realizzarlo. "Per cominciare, stavamo cercando l'alluminio, e questo è solo perché è probabilmente il materiale meglio caratterizzato finora utilizzato per i rilevatori", afferma 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."

I ricercatori mirano ora ad estendere i loro risultati a una classe più ampia di modelli di materia oscura. "Dal punto di vista sperimentale, il laboratorio di Kurinsky sta testando il primo ciclo di sensori appositamente costruiti che mirano a costruire modelli migliori di generazione, ricombinazione e rilevamento di quasiparticelle e studiare le dinamiche di termalizzazione delle quasiparticelle nei qubit, qualcosa che è poco compreso", dice Leane Mondo della fisica. "Le quasiparticelle in un superconduttore sembrano raffreddarsi in modo molto meno efficiente di quanto si pensasse in precedenza, ma man mano che queste dinamiche saranno calibrate e modellate meglio, i risultati diventeranno meno incerti e potremmo capire come realizzare dispositivi più sensibili”.

Lo studio è dettagliato in Physical Review Letters.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/looking-for-dark-matter-differently/