News Feature: Illuminazione della strada per la materia oscura
Una mancanza di prova accattivante per le particelle massicce interagenti debolmente ha spinto i fisici a iniziare a cercare una serie di particelle scure leggere e persino nuove forze oscure.
Nel 2015 un gruppo di fisici nucleari in Ungheria ha riportato un urto anomalo nel segnale dei decadimenti radioattivi di berillio-8 instabile, corrispondente a una nuova particella tipica con 34 volte la massa di un elettrone ( 1 ). Era largamente trascurata al momento, ma un anno dopo i teorici statunitensi suggerivano che ciò potrebbe indicare una nuova forza che si sente per la materia oscura, suggerendo che la misteriosa sostanza è più complessa di quanto si credeva in precedenza ( 2 ). Le idee sulla materia oscura stanno evolvendo.
Utilizzando osservazioni di lente gravitazionale delle galassie, gli astronomi hanno mappato la materia oscura nel Bullet Cluster, che è formato da due enormi cluster collettivi di galassie. Immagine composita di cortesia di NASA / CXC / M. Weiss.
Dalla fine degli anni '90 la maggior parte dei ricercatori ha affermato che la materia oscura è probabilmente fatta di particelle massicciamente interagenti (WIMP): oggetti fantasmi ipotetici che passerebbero attraverso la materia normale come la luce attraverso una vetrata. Entità con proprietà perfettamente WIMP sembrano comparire nella supersimmetria, una teoria popolare che estende il modello standard, il quadro corrente che descrive le interazioni di tutte le particelle e le forze note. Ma gli esperimenti che cercano questi WIMP finora sono apparsi vuoti e il grande collettore di Hadron non ha rivelato alcun segno di supersimmetria.
Sebbene i WIMP supersimmetrici rimangano il candidato più favorito per la materia oscura, la loro non presenza ha portato alcuni scienziati a cominciare a dubitare della loro esistenza e ad esplorare numerosi nuovi modelli. Alcuni fisici si rivolgono ad un altro tipo di particella, un'entità ultraleggera nota come l'axion. Altri suggeriscono che ci potrebbero essere molte particelle di materia oscura distinta, ognuna con proprietà uniche, che potrebbero essere combinate in atomi scuri e molecole scure e emettono fotoni scuri. "Questa generalizzazione da una particella a un settore, che ha particelle e forze in essa, ha davvero aperto i portali", dice il fisico di particelle Jonathan Feng dell'Università della California, Irvine.
La nuova tecnologia sta creando modi per trovare queste entità sfuggente. Nel marzo 2017 i fisici che frequentano un laboratorio presso l'Università del Maryland, College Park hanno elencato più di 100 idee per tali esperimenti ( 3 ). Alcuni sono già in esecuzione; altri dovrebbero iniziare a prendere dati nei prossimi anni.
Nascita dell'oscurità
La materia oscura è nota per esistere a causa dei suoi effetti gravitazionali: le stelle nelle estensioni esterne delle galassie sembrano muoversi più velocemente di quanto dovrebbero, dato il materiale visibile presente, come se venissero tirate da una grande massa invisibile. Alla fine degli anni '70 alcuni ricercatori hanno capito che le particelle stabili ancora non ancora state scoperte potrebbero essere state create nelle condizioni ardite dopo il Big Bang, che rappresenterebbe questo enigma ( 4 ). Intorno allo stesso tempo, i teorici svilupparono l'idea di supersimmetria e si resero conto che la particella supersimmetrica più leggera, conosciuta come neutralino, è stata una misura ideale.
Nella zuppa di particelle dell'universo precoce, i neutrini avrebbero costantemente scontrato e annichilato l'uno all'altro, producendo prodotti di decadimento che comprendono la materia ordinaria. In un primo momento il processo avrebbe funzionato anche in retromarcia, con le particelle di materia ordinaria che si infrangono e creano la materia oscura. Ma quando l'universo si espandeva e si raffreddava, le particelle di materia ordinaria avrebbero avuto poca energia per creare pesanti neutroni. I neutroni avrebbero continuato a incontrarsi e annientare. Ma se i neutralinos hanno una scarsa probabilità di trovarsi a vicenda, potrebbero rimanere in grande quantità oggi.
La materia oscura è attualmente pensata per superare la materia ordinaria nell'universo da un rapporto di cinque a uno. Utilizzando questo valore, i teorici potrebbero chiedersi quale sarebbe il tasso di interazione dei neutralinos nel primo universo. Aggiungendo nella massa proposta da neutralino, che è tra 50 e poche mille volte quella di un protone, i calcoli hanno mostrato che una particella che interagisce solo con la forza debole e non con l'elettromagnetismo o con la forza forte, produrrebbe esattamente la materia oscura corrente densità - una coincidenza conosciuta come il miracolo WIMP.
Dopo questa rivelazione, i ricercatori hanno cominciato a inventare modi intelligenti per cercare la particella prospettica. Hanno preso la possibilità di un incontro casuale: sebbene un neutralino dovrebbe tipicamente navigare direttamente attraverso la materia ordinaria senza lasciare traccia, c'è sempre una minima probabilità che interagisca con un atomo attraverso la forza debole.
A partire dagli anni '80, i sperimentatori costruirono dispositivi di rilevazione della materia oscura e li sistemarono in profondità sotterranea per proteggerli dall'interferire di radiazioni cosmiche, sperando che un neutrino o un'altra simile WIMP-like fosse finita in una delle particelle nel loro rivelatore, producendo un valore misurabile segnale di riavvolgimento.
L'esperimento LUX, il suo sensore di luce mostrato qui, cerca un tipo di materia oscura noto come WIMP. Ma i WIMPs non sono riusciti a presentarsi negli ultimi anni, portando i fisici a considerare modelli alternativi di materia oscura alternativa. Cortesia di Matt Kapust / Sanford Underground Research Facility.
Coming Up Vuoto
Il rilevamento del recoil funziona meglio se il nucleo di destinazione e il proiettile hanno approssimativamente la stessa massa, in modo da molti dei principali esperimenti di rilevamento diretto di sconosciuti a livello mondiale usano il xeno, che ha 131 volte la massa di un protone. Nel gennaio del 2017 la collaborazione della Grande Underground Xenon (LUX), il cui esperimento è andato presso il Sanford Underground Research Facility di South Dakota, ha pubblicato i suoi risultati finali ( 5). Non mostravano collisioni di materia oscura. I ricercatori che lavorano sul progetto XENON 1-Ton (XENON1T) del Laboratorio Nazionale Gran Sasso vicino L'Aquila, il più grande esperimento di materia oscura del genere, hanno presentato il 18 maggio 2017 la loro ultima analisi dei dati, mettendo a disposizione dei vincoli ancora più sensibili quanto facilmente i WIMP interagiscono con la materia regolare ( 6 ). La squadra del Rivelatore di Particelle e Astrofisica del Xeno al China Jinping Underground Laboratory di Sichuan, Cina, ha presentato i risultati del loro rivelatore di seconda generazione ad una conferenza nell'agosto 2017 ( 7 ). Ancora una volta, non vedevano niente.
Forse, alcuni suggeriscono, questi ricercatori non stanno guardando nel posto giusto. Tra il 2008 e il 2011, i risultati di alcuni esperimenti di rilevamento diretto sembravano suggerire l'esistenza di particelle di materia oscura tra 1 e 10 volte una massa di protoni, al di sotto della soglia in cui i dispositivi a base di xenone li avrebbero visti. Da allora, molti di questi risultati sono stati scontati. Ma questa era una sveglia a molti fisici: forse le particelle di materia oscura sarebbero un po 'più chiare di quanto originariamente pensasse? Se tali particelle interagiscano con la materia normale usando la forza debole, avrebbero già mostrato in esperimenti di acceleratore non specificamente progettati per cercarli.
Nel settore scuro
Gli astronomi, nel frattempo, hanno dimostrato che le galassie nane sembrano avere aloni gonfie di materia oscura, piuttosto a differenza dei grossi nuclei di materia oscura prefissati da simulazioni cosmologiche assumendo la materia oscura ordinaria WIMP. Questa puffiness potrebbe accadere se la sostanza invisibile possa interagire con se stesso, usando forze come le molecole di gas ordinarie, spingendo alcuni teorici a suggerire che la materia oscura potrebbe essere combinata in stati nucleari come atomi e molecole normali. Forse vive in un mondo con un proprio pezzo di particelle e forze quasi interamente tangenti all'universo in cui abitiamo: quali fisicisti di particelle chiamano un settore nascosto.
Se abbiamo qualche speranza di scoprire questo settore scuro, queste nuove forze devono avere qualche interazione con la materia ordinaria. Alcuni ricercatori pensano di aver già visto accenni di tali interazioni in una particella di breve durata chiamata il muone, il cui momento magnetico non si associa completamente alle previsioni del Modello Standard; una forza scura del settore potrebbe rappresentare questa discrepanza ( 8). Le forze sono portate da particelle e la particella che trasporta questa presunta forza agisce molto come il portatore di forza dell'elettromagnetismo, il fotone, ma ha una massa tra parecchie e poche centinaia di volte di quella di un elettrone. È stato soprannominato il fotone scuro.
I fisici del National Laboratory di Jefferson sono stati a caccia di questi dal 2010, quando l'esperimento di A cominciò a sbattere un fascio di elettroni ad alta intensità in un sottile bersaglio di tungsteno sperando di produrre alcuni fotoni scuri. Altri progetti a Jefferson, alla ricerca di diverse fasce di energia, includono il Heavy Photon Search, che è stato eseguito per la prima volta nel 2015, e l'esperimento DarkLight, che invita gli elettroni a un bersaglio a idrogeno e ha preso alcuni dati iniziali quest'anno. DarkLight sarà anche in grado di esaminare il risultato beryllium ungherese, che è nella giusta gamma di massa, ma sarebbe una versione particolarmente strana di un fotone scuro, che ha bisogno di interagire con i neutroni ma non protoni per spiegare i dati finora. A causa di questa controversia, alcuni fisici restano scettici che ciò che gli Ungheresi hanno visto è veramente una nuova forza. Ulteriori informazioni dovrebbero avvenire nel 2018, quando il fascio di elettroni a Jefferson viene aggiornato e DarkLight è in grado di indagare ulteriormente sull'anomalia.
Anche se la maggior parte delle proposte di materia oscura si è concentrata su particelle relativamente pesanti, alcuni teorici stanno esplorando la possibilità che sia davvero estremamente leggera. Un puzzle importante nella fisica moderna ha a che fare con il neutrone. Essendo neutrale, non ha interazioni con i campi elettrici. Ma curiosamente, reagisce ai campi magnetici, quasi come un piccolo bussola. Perché il neutrone interagisce con un solo componente della forza elettromagnetica? Nel 1977 i fisici Roberto Peccei e Helen Quinn hanno proposto che un meccanismo nascosto sintetizza le interazioni del neutrone con i campi elettrici ( 9). Poco dopo, altri teorici si resero conto che questo meccanismo ha dato origine a una particella che chiamavano l'axione.
Il lato più chiaro
Axions sarebbe neutrale, spettrale e estremamente leggera, meno di un milione o addirittura un miliardesimo di massa dell'elettrone. Con tali masse basse, esse sarebbero prodotte a densità molto più alte nel primo universo. Ogni centimetro cubico del cosmo sarebbe pieno di assi. Questo renderebbe le axioni meno compatte come particelle e più come un campo, e se il campo energetico degli assi oscilla intorno a zero, produrrà gli effetti gravitazionali necessari per essere la materia oscura. "Ecco una particella che la gente pensava dovrebbe esistere comunque e è solo successo per risolvere la materia oscura", dice il fisico Gray Rybka dell'Università di Washington di Seattle. "Ha ucciso due uccelli con una pietra,
Se un singolo atrio capita di esplorare un esperimento di rilevamento diretto di una materia ossea a base di xenon, sarebbe stato a malapena a muoversi gli atomi ordinari, "tipo come un pungiglione che colpisce un treno", dice il fisico Jeffrey Hutchinson della Florida Gulf Coast University a Fort Myers. Quindi, la maggior parte degli esperimenti di caccia all'Asia approfitta della natura leggera delle particelle ipotizzanti. Secondo la meccanica quantistica, tutte le particelle si comportano come onde, vibranti con una frequenza che dipende dalla loro massa. La massa incerta dell'asse può corrispondere ad una frequenza da 250 hertz fino a 2,5 terahertz.
La più lunga esecuzione di queste caccia axion è l'esperimento Axion Dark Matter (ADMX) presso l'Università di Washington, che consiste di una cavità metallica posta all'interno di un potente magnete e raffreddato a 4,2 Kelvin. Axions che vibrano alla frequenza di risonanza della camera possono essere convertite in fotoni microonde rilevabili. Mentre l'ADMX funziona, le aste si muovono all'interno della cavità per cambiare le dimensioni effettive e la scansione attraverso diverse potenziali masse d'assi, come un sintonizzatore di listener attraverso le stazioni radio.
"Ecco una particella che la gente pensava dovrebbe esistere comunque, e è solo successo per risolvere la materia oscura".-Gray Rybka
ADMX ha infine colpito la sensibilità necessaria per individuare le masse di axion probabili nel gennaio 2017. La collaborazione prevede di esaminare alcune delle gamme d'azione più favorevoli, tra 500 megahertz e 10 gigahertz, nei prossimi cinque o sei anni e sta ricercando tecnologie che possono cercare frequenze ancora più alte.
Ma l'axion potrebbe essere troppo leggero per ADMX, quindi altri progetti stanno ora scesi. La radio di Dark Matter è costituita da un circuito elettrico circondato da uno scudo superconduttore che blocca le onde elettromagnetiche ordinarie, ma produrrebbe una tensione misurabile se un'identita penetrava. Una versione di percorso di questo esperimento ha iniziato a prendere i dati nell'agosto 2017. L'utilizzo di un'ampia gamma di massa a basso stadio è l'approccio a banda larga / risonante all'individuazione cosciente di Axion con un amplificatore sperimentale dell'apparecchio a banda del campo B che genera un immenso campo magnetico nella speranza di individuare la firma di un'azione, ovvero una minima oscillazione nel campo. Un altro esperimento di percorso in costruzione è l'esperimento Cosmic Axion Spin Precession (CASPEr), che utilizzerà la tecnologia MRI nucleare per cercare una carica elettrica oscillante all'interno del neutrone per cercare di estrarre l'axion. CASPEr sarà sensibile alle masse d'assi molto al di sotto degli altri rilevatori, fino a circa 200 Hz.
WIMP ancora in gioco
Il WIMP supersimmetrico non è ancora in esecuzione e la maggior parte della comunità di materia oscura rimane focalizzata sui rilevatori a base di xeno. La più recente analisi dei dati di XENON1T è stata solo dai primi 34 giorni. "Ora stiamo davvero cercando di esaminare un nuovo territorio dove qualcuno non ha mai provato", dice il fisico Elena Aprile della Columbia University di New York, che guida il progetto. "Siamo tutti molto speranzosi e continueremo a esplorare le acque inesplorate".
Sia la collaborazione di Aprile che il team LUX stanno lavorando su dispositivi di nuova generazione, che saranno un ordine di grandezza più grande e molto più sensibile della generazione attuale. Aprile dice che sarà almeno altri cinque anni prima che i WIMPs siano esclusi - e potrebbero apparire in qualsiasi punto prima di quello.
I fisici continuano a spingere per scoprire la materia oscura in tanti modi che possono immaginare. I dati dei vecchi esperimenti di acceleratore delle particelle vengono riesaminati per cercare anomalie e molti acceleratori di particelle vengono retrofitted per cercare fotoni scuri. La ricerca e lo sviluppo hanno proliferato sulla tecnologia che potrebbe rilevare particelle leggere di materia oscura. I prossimi esperimenti includono lo strumento sperimentale Stereo sperimentale Stereo Electron e CCDs Dark Matter, che cercherà la presenza di materie oscure che sbattono in dispositivi di accoppiamento a carico di silicio e l'Observatory Tritium di Princeton per il programma di resa leggera e precoce dell'universo Massive-Neutrino , che utilizzerebbe un rivelatore di grafene.
Finché l'influenza della materia oscura può essere vista nell'universo, rimarrà un bersaglio tantalizzante per gli esperimenti. "È davvero uno dei più profondi misteri della fisica delle particelle e abbiamo tante idee buone per scoprirlo", dice il fisico di particelle Jesse Thaler del Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. "Se l'ingegno umano ha qualcosa da dire su di esso, ci sarà un'ottima possibilità di rilevazione, spero nella mia vita".
- Pubblicato sotto la licenza PNAS .
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