L’ultimo risultato dall’esperimento PICO pone alcuni tra i migliori limiti mai avuti sulle proprietà di alcuni tipi di materia oscura. Il progetto PICO intende rivelare particelle di materia oscura, basandosi su una tecnica semplice: la camera a bolle. Gli esperimenti sono installati ad una profondità di 2 km nel laboratorio sotterraneo SNOLAB a Sudbury, Ontario, Canada. La collaborazione PICO sta effettuanfo due esperimenti alla ricerca di materia oscura: una camera a bolle riempita con ~ 57 kg di C 3 F 8 (octafluoropropano)  ed un’altra con 3 kg . Una versione molto più grande di questo esperimento, con un massimo di 500 kg di massa attiva, è in fase di sviluppo.PICO ha avuto il suo inizio nel 2005 come collaborazione tra l’Università di Chicago e il Dipartimento di Energia del Fermilab (DOE). L’esperimento inizialmente aveva un nome diverso, COUPP, e più tardi si fuse con l’esperimento PICASSO per formare PICO. Nei primi giorni dell’ esperimento gran parte del lavoro degli scienziati del Fermilab è stata dedicata alla re-ingegnerizzazione della camera a bolle. La camera a bolle non è certo un concetto nuovo – è stata inventata nel 1952 –  e la tecnologia obsoleta. E ‘stato un ritorno alla vecchia scuola della fisica delle particelle a bassa tecnologia, quando i collaboratori del Fermilab hanno cominciato a ridisegnare  la camera a bolle di PICO; le camere a bolle sono state ‘dismesse’ alla fine degli anni ’80 del secolo scorso, perchè troppo lente per tenere il passo con gli esperimenti che richiedevano un alto tasso di dati. Di conseguenza, sono state eliminate con la comparsa degli acceleratori di particelle moderni come il Tevatron del Fermilab e il Large Hadron Collider del CERN, che utilizzando elettronica complessa, sono stati in grado di raccogliere milioni di volte più dati rispetto alle camere a bolle.

Le classiche camere a bolle erano progettate per convertire l’energia depositata da una particella subatomica in una bolla che poteva essere osservata. In un liquido come l’acqua, a temperatura ambiente, le collisioni di particelle non producono nulla di evidente. Per essere sensibile alle particelle, il fluido all’interno della camera viene riscaldato ad appena sopra il suo punto di ebollizione, e quando le particelle entrano nella camera, un pistone ne diminuisce improvvisamente la sua pressione, ed il liquido entra in una fase metastabile surriscaldato. Le particelle cariche creano una traccia di ionizzazione, attorno alla quale il liquido vaporizza, formando microscopiche bolle. In effetti è possibile osservare direttamente la formazione della bolla: mentre in tipici esperimenti di fisica delle particelle con gli acceleratori le informazioni sulle interazioni tra le particelle è data solo attraverso le interfacce del computer, in PICO le interazioni sono visibili ad occhio nudo come bolle.

La  cosa sorprendente di PICO è che viene utilizzato un disegno relativamente semplice del rilevatore rispetto agli altri esperimenti di materia oscura in corso, e a differenza delle camere a bolle tradizionali per il rilevamento di particelle cariche, la camera a bolle di PICO è progettata per cercare sfuggenti WIMP – particella ipotizzata di materia oscura che interagisce debolmente con la materia ordinaria, quindi molto difficile da rivelare – di  carica neutra che potrebbe richiedere anni per la sua rivelazione.

La forza debole che governa le WIMP è circa 10.000 volte più debole della forza elettromagnetica. Le particelle che interagiscono attraverso la forza debole, come le WIMP e i neutrini, non interagiscono spesso, e questo li rende difficili da catturare. Ma una WIMP che si muove lentamenete può depositare energia sufficiente per essere visibile in un rivelatore. Calibrando attentamente il calore e la pressione del fluido nella camera a bolle di PICO, gli scienziati sono stati in grado di rendere il rivelatore sensibile solo alle interazioni di particelle massive come WIMP. Essi sono stati anche in grado di evitare gran parte del fondo standard, come segnali da elettroni e raggi gamma, che affliggono ad esempio altri rivelatori di materia oscura. Per padroneggiare la tecnologia per fare ciò, ci sono voluti anni. Predecessori di PICO hanno iniziato con poco più che provette riempite con qualche cucchiaino di liquido, per poi diventare recipienti, fino ad utilizzare  telecamere digitali per vedere le bolle e  il pickup acustico per migliorare la capacità di distinguere tra particelle di materia oscura ed altre sorgenti quando analizzano i dati. In altre parole, se una WIMP crea una bolla, PICO sarebbe in grado di vedere non solo la prova della materia oscura, ma ‘udirla’ pure, perchè utilizzando questa tecnologia acustica, i ricercatori sono stati in grado di porre il veto in modo efficace su bolle che non si sarebbero mai potute creare da WIMP, permettendo loro di eliminare lo sfondo.

Come si è visto dagli ultimi risultati dell’esperimeto, PICO non ha visto nessuna bolla creata da WIMP, ma questo  ha aumentato la  capacità di vedere WIMP spin-dipendenti di un fattore 17, rispetto agli esperimenti precedenti. Immissione di limiti di questi fattori può suggerire ai fisici dove andare a cercare successivamente la materia oscura.

La ricerca sulla materia oscura spazia in più direzioni, quindi la varietà di teorie richiede una varietà di diversi esperimenti. Ci sono altri esperimenti che ricercano diverse particelle da diverse sorgenti di materia oscura, come particelle chiamate assioni o neutrini sterili. La ricerca di PICO per WIMP ha un focus specifico sulle cosiddette WIMP  spin-dipendente. La conoscenza di queste particelle è ancora teorica, ma in linea di massima le loro interazioni con la materia normale cadrebbero in due categorie:. una che non è sensibile alla rotazione del nucleo, e l’altra che invece lo è. Lo spin, come la carica, è una quantità intrinseca portata dalle particelle e dai nuclei atomici. PICO si rivolge principalmente per quelle interazioni di WIMP che sono sensibili alla rotazione del nucleo.In sostanza, il risultato di PICO è che queste WIMP  spin-sensibile, se esistono, devono interagire molto di rado – altrimenti PICO avrebbe visto più bolle. Questo risultato, che è di gran lunga il migliore mai visto per WIMP  spin-sensibili che interagiscono con i protoni, non esclude l’esistenza di WIMP. Ci sono molti altri posti  per cercare ancora la materia oscura, ma grazie a PICO, si può nascondere in un minor numero di posti!

PICO ha all’attivo circa 50 fisici da 20 istituzioni in Canada, Europa, India, Messico e Stati Uniti e riceve sostegno da parte del US Department of Energy Office of Science e National Science Foundation.

Dark matter search results fron the PICO-60 C3F8 Bubble chamber – [C. Amole et al. 2017]

Fonte: FermiLab

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

Ci risiamo. Solo pochi giorni fa, in un articolo parlavamo di KIC 8462852 e di come il suo anomalo comportamento sfugga ad ogni spiegazioni che esca dal campo delle pure ipotesi speculative ed ecco che “la stella di Tabby“, per cui si è parlato di megastrutture aliene, lampeggia di nuovo con un vistoso calo della sua luminosità. Subito dopo la twittersfera è impazzita con migliaia di appassionati che si scambiano immagini e impressioni, oltre a continui appelli a catturarne lo spettro fluttuante.

Ecco un breve riassunto per chi ancora non fosse informato su questa vicenda. Già nel 2015, gli astronomi hanno notato che KIC 8462852 stava subendo enormi cali di luminosità. Questa osservazione, essenzialmente, può significare due cose:  o c’è qualcosa di fronte alla stella che sta bloccando la luce verso la Terra, o è in corso un processo insolito all’interno della stella stessa che provoca questi cali di luminosità.

Conosciuta come la stella di Tabby – dalla dr.ssa Tabetha Boyajian, prima firmataria dello studio originale che descrive questo fenomeno – gli scienziati, e anche tanti profani, hanno suggerito una vasta gamma di ipotesi per spiegarlo. Il più famoso, naturalmente , è che è una sorta di megastruttura aliena, come una sfera di Dyson , circondi la stella e ne blocchi la luce.

I calcoli mostrano che, per validare la teoria delle comete, ne servirebbero almeno 648.000, tutte delle dimensioni di più di 200 chilometri, qualcosa che, anche se non impossibile, è considerato estremamente improbabile .

C’è stato il suggerimento che si possa trattare di una stella variabile. Di queste stelle ne conosciamo di parecchi tipi, tra cui le variabili pulsanti che crescono e si restringono drammaticamente, e stelle “binarie ad eclisse”, che si offuscano quando la stella compagna passano loro davanti. La nostra stella, il Sole, è una stella variabile nella sequenza principale ed ha un ciclo di 11 anni durante il quale la sua luminosità arriva a calare dello 0,1%, per poi recuperare la luminosità originale. Il problema è che la stella di Tabby è una F-Type, un’altra stella nella sequenza principale molto stabile e dovrebbe mostrare solo piccole variazioni periodiche di luminosità. KIC 8462852, invece, ha avuto un calo di luminosità del 3 per cento in soli quattro anni.

Altri suggerimenti, come un pianeta disgregato o una enorme nuvola di polvere che la oscurano ad intervalli irregolari, sono stati abbandonati. Per quanto riguarda gli alieni, il SETI ha messo sotto osservazione la stella ma, fin’ora, non ha rilevato alcun segno indicativo di calore generato meccanicamente.

Quindi, in questo momento, non abbiamo idea di cosa stia succedendo lassù. Speriamo che questa volta, gli astronomi pèossano trovare qualche risposta conclusiva.

Ormai sappiamo che Titano è attraversato da fiumi che presentano un alveo più simile a quello degli antichi fiumi di Marte che a quelli della Terra. Titano, la più grande luna di Saturno, è uno dei mondi più misteriosi del nostro sistema solare. Ha fiumi di metano , nuvole e foschia, montagne e valli – che, ad un osservatore superficiale, possono ricordare la Terra. Non è, però, chiaro come possa presentare queste caratteristiche.

“I fiumi e la topografia di Titano rispecchiano in superficie ciò che accade al suo interno”, spiega Benjamin Black, ricercatore presso la City University di New York. “Se riusciremo a capire cosa e perché sta succedendo in superficie, potremo cominciare a capire la storia di questo piccolo pianeta”.

Studiare i fiumi sulla terra o o i letti dissecati dei fiumi marziani è relativamente facile: abbiamo satelliti in orbita su entrambi i pianeti che inviano continuamente nuove immagini ad alta risoluzione, ma Titano è molto più difficile da osservare. Abbiamo solo un paio di immagini a buona risoluzione della superficie, inviate nel 2005  dalla sonda Huygens, tutte le altre immagini che abbiamo sono a bassa risoluzione o velate dalla fitta foschia spesso presente nell’atmosfera della luna di Saturno.

Al fine di confrontare la topografia di questi tre mondi, Black ed i suoi colleghi hanno combinato le immagini ad alta risoluzione di Marte e della Terra e le hanno abbinate alle immagini di Titano inviate dalla sonda Cassini.
“Guardando le immagini di Titano o di Marte si vedono valli, montagne, letti di fiumi e di laghi e colpisce la somiglianza con scenari simili sulla Terra,” spiega Black. “Ma le apparenze possono ingannare.”

Nonostante la familiarità dei paesaggi, i ricercatori hanno scoperto che le cause della topografia di Titano e Marte sono molto diverse che sulla Terra. Sul nostro pianeta il terreno è costantemente rimodellato dalla tettonica a placche che spinge  catene montuose che spesso creano barriere che deviano i fiumi. Né Titano né Marte, al contrario, hanno movimenti tettonici e questi due mondi hanno ottenuto le loro montagne e valli in altri modi. “Il fatto che la Terra è così diversa dagli altri due potrebbe far pensare che, invece, Marte e Titano sono molto simili,” afferma Jonathan Lunine della Cornell University. “Ma non è vero, non lo sono. Si tratta proprio di tre corpi celesti completamente diversi uno dall’altro.”

Su Marte, Black e il suo team hanno trovato antichi fiumi che scorrevano seguendo le caratteristiche topografiche della superficie, cosa che ci indica che il terreno è venuto prima e che ha diretto il flusso dei fiumi. Su Titano, però, abbiamo osservato prove di attività geologica recente e, forse, tutt’ora in corso che influenza le principali caratteristiche topografiche della luna. La sua topografia su larga scala potrebbe essere generata da cambiamenti di spessore della crosta di ghiaccio che ricopre il pianeta, causati dalle forze di marea provocate da Saturno.

Teoricamente, una volta comprese le cause di questi cambiamenti potremmo riuscire a capire da dove arriva tutto il metano costantemente presente nell’atmosfera di Titano che, per ora, resta uno dei più grandi misteri di Titano. Sappiamo infatti che sulla Terra il metano è un idrocarburo di origine fossile ma l’osservazione su altri corpi celesti, almeno apparentemente privi di vita, ci costringono a pensare ad un’origine abiotica, tranne nei casi di Marte, dove nel gennaio 2009 i ricercatori della NASA hanno osservato emissioni di metano dalla superficie in atmosfera localizzate in aree specifiche, facendo ipotizzare che possano essere legate ad attività biologiche che avvengono nel sottosuolo e Titano dove si ipotizza la presenza di un qualche catalizzatore esotico o un’ancora più esotica forma di vita metanogena.

“C’è così tanto che non sappiamo sulla storia geologica di Titano”, dice Black “che capire in cosa si differenzia dalla Terra è un’esperienza eccitante di per sé.”

Fonte: science.aag0171