La ricerca della materia oscura è intrigante. È, letteralmente, un proiettile nel buio. Sebbene gli scienziati ne siano sicuri materia oscura Esiste – poiché tutta la materia normale nell’universo semplicemente non può spiegare il modo in cui le galassie stanno insieme – non sanno cosa sia. Inoltre non sanno davvero dove sia (sebbene abbiano alcune idee). Di certo non sanno che aspetto abbia.
Tuttavia, la comunità dei fisici è desiderosa di indagare su queste particelle sfuggenti perché il lato oscuro del nostro universo rappresenta un allarmante 95% del nostro universo se preso in considerazione energia oscurala forza invisibile che accelera l’espansione dello spazio.
Ma come si fa ad analizzare qualcosa senza sapere realmente cosa analizzare? Beh, c’è un modo. Sebbene non sappiamo ancora cosa sia la materia oscura, gli scienziati possono scoprire lentamente cosa non è.
Questo è esattamente ciò che diversi ricercatori dedicati alla ricerca hanno recentemente fatto vagliando i dati catturati da un rilevatore sepolto in profondità all’interno di una miniera in Minnesota. Sebbene non abbiano trovato prove della materia oscura, affermano di aver fissato uno dei limiti più ristretti mai visti per rilevare questo fenomeno un giorno. aveva un profilo completo delle loro scoperte pubblicato A giugno in Physical Review D.
“Riguarda la mentalità nella scienza, dove un risultato nullo può avere lo stesso impatto di uno positivo”, ha detto a Space.com Daniel Jardine, coautore dello studio e ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University. “Ovviamente è stato bello trovare la materia oscura, ma siamo stati in grado di ritagliare una nuova fetta di spazio dei parametri della materia oscura”.
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Queste ultime scoperte sono legate alla collaborazione Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS), di cui Jardin è membro.
Per farla breve, il team ha concluso che il rivelatore sperimentale SuperCDMS può ora escludere le particelle di materia oscura fino a circa Circa un quinto della massa di un protone – e possibilmente meno masse.
“Ho sempre amato inseguire l’ignoto, e questo è il massimo”, ha detto Jardine. “Sono molto felice che la mia carriera mi abbia portato qui, e per quanto breve possa essere, posso sempre dire che questo risultato è stato il migliore al mondo fino a quando inevitabilmente altre prove non lo raggiungeranno”.
Aspetta, cos’è SuperCDMS?
Per acquisire prove di particelle di materia oscura, la collaborazione SuperCDMS sta lavorando con un esperimento denominato anche SuperCDMS.
Questo esperimento sfrutta essenzialmente il potere dei rivelatori che possono determinare se e quando una particella di materia oscura (qualunque essa sia) si scontra con i nuclei atomici dei materiali incorporati nei rivelatori stessi, in particolare germanio o silicio.
“Sono stato interessato allo spazio da quando ero piccolo perché fa sembrare tutto sulla Terra così piccolo e insignificante”, ha detto Jardine. “Poi ho imparato a conoscere la materia oscura e non riuscivo a credere che tutte le stelle, le galassie e le cose che vediamo nel cielo notturno costituiscano meno del 5% dell’universo”.
Diventando un po’ più tecnico, SuperCDMS può determinare se queste particelle di materia oscura sono coinvolte in quelle che sono note come “collisioni elastiche”. Se lo facessero, ciò che accadrebbe è che qualsiasi energia persa dalla particella di materia oscura quando si è rotta verrebbe trasferita al movimento dei nuclei atomici interessati. A loro volta, i due bit torneranno indietro.
Sarebbe come se due palle da biliardo si scontrassero l’una con l’altra solo per rimbalzare leggermente all’indietro sul tavolo, afferma il coautore dello studio Noah Korinsky, uno scienziato dello SLAC National Accelerator Laboratory.
Ma ecco il punto.
Apparentemente SuperCDMS non ha ancora trovato alcuna collisione elastica: secondo Jardin, ne avremmo già sentito parlare perché una tale scoperta probabilmente guadagnerebbe un premio Nobel. Tuttavia, questo team di ricercatori, tra cui Rob Calkins, professore assistente di ricerca presso la Southern Methodist University, ha posto una domanda intrigante.
E se SuperCDMS rileva un altro tipo di collisione che nessuno ha cercato per tutto questo tempo? In particolare, urti anelastici.
Alla luce di queste nuove scoperte, stavano decisamente facendo qualcosa.
“La ricerca di collisioni elastiche rimane uno dei principali motori del SuperCDMS, ma la ricerca di collisioni anelastiche ha aperto una strada per uno spazio dei parametri della materia oscura a cui l’esperimento era precedentemente insensibile”, ha spiegato Jardine.
Ci sono due modi in cui potrebbe funzionare una possibile collisione di materia oscura anelastica. Il primo, secondo il team, ha a che fare con qualcosa chiamato Radiazione di Bremsstrahlung. Al rivelatore, se si verificasse questo tipo di collisione anelastica, la particella di materia oscura trasferirebbe parte della sua energia a una particella di luce, o fotone, invece di rimbalzare come nell’esempio della palla da biliardo.
Sebbene, d’altra parte, una collisione anelastica possa verificarsi attraverso qualcosa chiamato Effetto Midgall. Se si verificasse questo rilascio, una particella di materia oscura che colpisse il nucleo provocherebbe il lancio fuori posizione del nucleo stesso, incasinando la distribuzione della nuvola di elettroni. Al ritorno al loro posto originale, alcuni di quegli elettroni fluenti verranno espulsi.
A rischio di semplificazione eccessiva, ciò significa che il team stava cercando segnali SuperCDMS di un fotone volante o di un solitario hardcore elettronico.
“Non è stato facile come contare”, ha osservato Jardine. “Questa analisi ha utilizzato forme spettrali per modellare il profilo di potenza del segnale, nonché diverse fonti di fondo note”.
E dopo tutto ciò, la ricerca è risultata vuota, ma la storia non è finita qui.
Jardin ha continuato: “Quindi abbiamo usato le statistiche per rispondere alla domanda:” Qual è la probabilità che vedremo il segnale sullo sfondo noto? Questa domanda viene ripetuta centinaia di migliaia di volte e tralasciamo lo spazio dei parametri in cui avremmo dovuto essere in grado di vedere il segnale e non potevamo.
C’è sempre un lato positivo
“Ci sono circa un miliardo di particelle di materia oscura che ti attraversano ogni secondo, ma interagiscono così raramente che non puoi dirlo”, ha detto Jardine. “Stiamo cercando un’opportunità di interazione 1 su un miliardo di miliardi di miliardi di miliardi”.
Sebbene questo biglietto d’oro non sia stato trovato, sono venute alla luce altre forme di tesoro.
Soprattutto, tutti quegli studi statistici sui segnali SuperCDMS hanno finito per fornire al team le conclusioni sui potenziali limiti di massa ridotta per le particelle di materia oscura.
“Un altro esperimento sulla materia oscura che non era così sensibile alla massa della materia oscura così bassa come SuperCDMS per le collisioni elastiche ha pubblicato un’analisi simile che ha ampliato la sua portata e appiattito il campo di gioco. Leggendolo, ci siamo chiesti fino a che punto avremmo potuto scendere se avessimo usato il stesso metodo”, ha detto Jardine.
Inoltre, ha spiegato, il team ha anche “aggiunto altro all’analisi, come statistiche più complesse e l’inclusione delle interazioni con la Terra”.
Sì, la Terra
Forse ancora più impressionante è il modo in cui il team ha tenuto conto di tutto ciò TerraLa sua posizione nello spazio può influenzare questi segnali di materia oscura.
Come mostrano, se la materia oscura interagisce abbastanza fortemente con le cose, è probabile che interagisca letteralmente con tutto ciò che incontra sul suo cammino verso i nostri minuscoli rilevatori sotterranei della Terra. Una di quelle cose che sono mature per l’interazione è l’atmosfera del nostro pianeta.
Il team ha pensato che se una particella di materia oscura avesse interagito con la nostra atmosfera, quello scudo planetario avrebbe assorbito parte dell’energia della particella nel momento in cui ne avremmo captato il segnale.
“Si pensa che la materia oscura sia più o meno onnipresente in una grande palla intorno alla galassia”, ha detto Jardine. Il nostro sistema solare è in un braccio a spirale via Lattea Cioè, la terra gira intorno al sole e la terra ruota sul proprio asse. Questo movimento astronomico significa che la Terra sta attraversando un mare di particelle di materia oscura, ma dal nostro punto di vista, le particelle di materia oscura sembrano bombardare costantemente la Terra e i nostri rivelatori».
Pertanto, i ricercatori si sono resi conto che è probabile che ci sia un limite di energia superiore che queste particelle interattive di materia oscura possono attraversare, se sono reattive, cioè.
Modellando cose come la densità dell’atmosfera terrestre, lavorando con i geologi per capire quali tipi di rocce ci sono sopra la miniera del Minnesota dove è sepolto SuperCDMS e tonnellate di altre variabili, hanno già scoperto il limite superiore dell’energia della materia oscura.
“Quando si adatta una linea ad alcuni dati, ci sono due parametri: regressione e intercetta”, ha detto Jardine. “In questa analisi, avevamo più di 50 criteri di adattamento contemporaneamente”.
Per quanto riguarda il prossimo, beh, Jardine dice che questa deduzione in stile Sherlock Holmes continuerà. E se ti viene in mente qualcosa di tutto ciò, enfatizza un modo visivo di guardare i punteggi della squadra che metta tutto in prospettiva.
“Questo risultato – le linee nere – lascia fuori un nuovo spazio dei parametri a cui altri non hanno avuto accesso prima, ma c’è molto più spazio aperto a sinistra, meno blocchi su e giù, il che rappresenta meno opportunità di interazione”, ha detto . Questi stanno diventando sempre più difficili da indagare, ma i fisici della materia oscura sono intelligenti.
Questi cacciatori di materia oscura hanno sicuramente raggiunto le stelle e sono riusciti ad atterrare dolcemente sulla luna.
