Fisici siberiani danno una svolta alle ricerche sulla materia oscura “pesante”

Scienziati dell’Istituto di fisica nucleare Budker presso la Sezione siberiana dell’Accademia russa delle scienze hanno chiarito come semplificare e migliorare i rilevatori di materia oscura prestando maggiore attenzione a come questa influisca sulle interazioni tra i loro elettroni e gli atomi neutri.

"I nostri risultati hanno dimostrato che, se non si considera quest'effetto, gli esperimenti di ricerca della materia oscura possono risultati incorretti. I nostri calcoli potrebbero servire a progetti di ricerca della materia oscura come, ad esempio, la cooperazione Dark Side a cui partecipiamo", racconta Ekaterina Shemyakina dell'Istituto di fisica nucleare Budker presso la Sezione siberiana dell'Accademia russa delle scienze.

L'Universo "a rovescio"

Per diverso tempo gli scienziati pensavano che l'Universo fosse composto dalla materia che vediamo e che questa fosse alla base di stelle, buchi neri, nebulose, polvere cosmica e pianeti. Ma le prime osservazioni riguardo alla velocità di spostamento delle stelle nelle galassie più vicine a noi hanno dimostrato che la luce alle loro estremità si muove al loro interno a una velocità impressionante di circa 10 volte superiore a quella osservata sulle stelle conosciute.

Oggi gli scienziati pensano che la ragione sia la cosiddetta materia oscura, una sostanza misteriosa che corrisponderebbe a circa il 75% di tutta la materia dell'Universo. Di norma, in ogni galassia vi è una quantità di materia oscura dalle 8 alle 10 volte superiore rispetto alla normale materia visibile. Inoltre, questa materia oscura mantiene le stelle al loro posto e impedisce loro di muoversi alla rinfusa.

Oggi quasi tutti gli scienziati sono convinti dell'esistenza della materia oscura, ma le sue proprietà, oltre alla sua evidente influenza gravitazionale su galassie e ammassi di galassie, rimangono oggetto di dibattito tra gli astrofisici e i cosmologi. Per lungo tempo gli scienziati ipotizzavano che fosse composta da particelle WIMP "fredde" superpesanti che non si manifestano in alcun caso tranne quando attirano ammassi di materia visibile.

Oggi gli scienziati tentano di individuare queste particelle utilizzando rilevatori sotterranei giganti riempiti di xenon. I nuclei degli atomi di questo gas nobile, come ipotizzavano gli scienziati, dovevano interagire con le particelle WIMP in un modo particolare che poteva essere scoperto osservando le scintille di luce all'interno dello xenon liquefatto.

Negli ultimi 20 anni gli scienziati hanno creato una dozzina di rilevatori simili di dimensioni e massa anche maggiori. Nessuno di questi, però, è riuscito a trovare le tracce delle interazioni dello xenon con le WIMP.

La luce nascosta

Shemyakina e i suoi colleghi da anni lavorano alla loro versione di rilevatore di materia oscura all'interno del quale la sostanza principale è un altro gas nobile, cioè l'argon. Come nel caso dei rilevatori allo xenon, gli scienziati osservano le scintille di luce che dovrebbero comparire all'interno del serbatoio di argon in seguito a scontri tra gli atomi di quest'ultimo e le WIMP.

Questi segnali luminosi, come pensavano i fisici, dovevano comparire in seguito all'interazione tra gli elettroni "strappati" dalla materia oscura dagli atomi e gli ioni loro circostanti. Dunque, il vettore di carica negativa comincia a "rallentare" mentre crea dei fasci di ultravioletti.

Simili emissioni, secondo Shemyakina, sono difficili da captare. Per questo, i fisici russi già da tempo stanno tentando di creare la situazione ideale in cui il raggio potesse comparire nelle zone visibile o infrarossa dello spettro elettromagnetico con le quali è più facile lavorare. Per questo, gli scienziati aggiungevano sostanze estranee nell'argon e poi lo depuravano da qualsiasi traccia di queste sostanze.

Questi sforzi hanno portato a un risultato inaspettato: il rilevatore stesso ha elaborato impulsi visibili del "raggio rallentato" la cui esistenza non era nemmeno prevista in linea teorica. Una volta studiato nel dettaglio questo processo, i fisici russi hanno scoperto una nuova forma di questa luce creata non dagli atomi carichi, ma da quelli neutri.

"Negli ultimi 30 anni nessuno ha scritto nulla riguardo a questo effetto. Il raggio rallentato di atomi neutri è stato dimenticato perché le scintille secondarie erano state interamente spiegate grazie ai meccanismi basati sulla stimolazione degli atomi di un gas nobile da parte di elettroni. La sua esistenza ci ha permesso di semplificare e rendere più conveniente il nostro prototipo di rilevatore per la ricerca di materia oscura", ha concluso Shamyakina.