BREAD: caccia alla materia oscura con un nuovo approccio

L’esperimento BREAD sta migliorando la ricerca sulla materia oscura impiegando un design a banda larga ed efficiente in termini di spazio, aprendo la strada a future scoperte scientifiche.

Un rendering del design BREAD. La struttura a forma di "bacio di Hershey" incanala potenziali segnali di materia oscura verso il rilevatore color rame a sinistra. Esso è sufficientemente compatto da poter essere posizionato su un tavolo.
Un rendering del design BREAD. La struttura a forma di “bacio di Hershey” incanala potenziali segnali di materia oscura verso il rilevatore color rame a sinistra. Esso è sufficientemente compatto da poter essere posizionato su un tavolo.

Il nuovo esperimento BREAD

Uno dei grandi misteri della scienza moderna è la materia oscura. Sappiamo che essa  esiste grazie ai suoi effetti su altri oggetti nel cosmo e che costituisce circa l’85% di tutta la massa dell’universo, ma non siamo mai stati in grado di vederla direttamente.

Un nuovo esperimento frutto di una collaborazione guidata dall’Università di Chicago e dal Fermi National Accelerator Laboratory, noto come Broadband Reflector Experiment for Axion Detection o BREAD, ha pubblicato i suoi primi risultati nella ricerca della materia oscura sulla rivista Physical Review Letters. Sebbene non abbiano rilevata, hanno ristretto i limiti su dove potrebbe trovarsi e hanno dimostrato un approccio unico che potrebbe accelerare la ricerca della sostanza misteriosa, con uno spazio e un costo relativamente ridotti.

Il Prof. David Miller, co-leader dell’esperimento insieme ad Andrew Sonnenschein del Fermilab UChicago Assoc, ha dichiarato: “Siamo molto entusiasti di ciò che siamo riusciti a fare finora . Ci sono molti vantaggi pratici in questo design e abbiamo già dimostrato la migliore sensibilità fino ad oggi con questa frequenza di 11-12 gigahertz.”

Stefan Knirck, studioso post-dottorato del Fermilab e autore principale dello studio, che ha guidato la costruzione e il funzionamento del rilevatore, ha aggiunto: “Questo risultato rappresenta una pietra miliare per il nostro concetto dimostrando per la prima volta la potenza del nostro approccio. È fantastico realizzare questo tipo di scienza creativa su scala da tavolo, in cui un piccolo team può fare qualsiasi cosa, dalla costruzione dell’esperimento all’analisi dei dati, ma avere comunque un grande impatto sulla moderna fisica delle particelle”.

Materia oscura1

A caccia di assioni, BREAD apre nuove strade

Quando guardiamo intorno all’universo, possiamo vedere che qualche tipo di sostanza esercita una gravità sufficiente ad attirare stelle, galassie e luce che passa, ma nessun telescopio o dispositivo ha mai captato direttamente la fonte, da qui il nome “materia oscura”. Poiché nessuno ha mai visto la materia oscura, non sappiamo esattamente come potrebbe apparire e nemmeno dove cercarla. 

Gli scienziati hanno mappato alcune delle opzioni più probabili per quanto riguarda i luoghi e le forme in cui cercare. In genere, l’approccio è stato quello di costruire rilevatori per cercare in modo molto approfondito un’area specifica (in questo caso, un insieme di frequenze) al fine di escluderla.

Un team di scienziati ha esplorato un approccio diverso. Il loro design è “a banda larga”, il che significa che può cercare una serie più ampia di possibilità, anche se con una precisione leggermente inferiore.

Il rilevatore BREAD cerca un sottoinsieme specifico di possibilità. È stato costruito per cercare la materia oscura sotto forma di cosiddetti “assioni” o “fotoni oscuri”, particelle con masse estremamente piccole che potrebbero essere convertite in un fotone visibile nelle giuste circostanze.

Pertanto, BREAD è costituito da un tubo metallico contenente una superficie curva che cattura e incanala potenziali fotoni verso un sensore a un’estremità. Il tutto è abbastanza piccolo da poter essere abbracciato, il che è insolito per questo tipo di esperimenti.

Nella versione a grandezza naturale, il rilevatore verrà depositato all’interno di un magnete per generare un forte campo magnetico, che aumenta le possibilità di convertire le particelle di materia oscura in fotoni.

Per dimostrare il principio, tuttavia, il team ha condotto l’esperimento senza magneti. La collaborazione ha eseguito il prototipo del dispositivo a UChicago per circa un mese e ha analizzato i dati.

I risultati sono stati molto promettenti e mostrano una sensibilità molto elevata nella frequenza scelta, hanno detto gli scienziati.

Stefan Knirck del Fermilab con i componenti del rilevatore BREAD. Credito: Università di Chicago
Stefan Knirck del Fermilab con i componenti del rilevatore BREAD. Credito: Università di Chicago

BREAD potenziato con nuovi magneti e collaborazioni

BREAD è stato spostato all’interno di un magnete per MRI riconvertito presso l’Argonne National Laboratory e sta raccogliendo più dati. La sua futura sede, presso il Fermi National Accelerator Laboratory, utilizzerà un magnete ancora più potente.

Sonnenschein e Miller hanno affermato: “Questo è solo il primo passo di una serie di entusiasmanti esperimenti che stiamo pianificando. Abbiamo molte idee per migliorare la sensibilità della nostra ricerca di assioni. Ci sono ancora così tante domande aperte nella scienza e un enorme spazio per nuove idee creative per affrontare tali domande. Pensiamo che questo sia un esempio davvero caratteristico di questo tipo di idee creative: in questo caso, partenariati collaborativi e di grande impatto tra la scienza su scala ridotta nelle università e la scienza su scala più ampia nei laboratori nazionali”.

Lo strumento BREAD è stato costruito al Fermilab come parte del programma di ricerca e sviluppo dei rilevatori del laboratorio e poi utilizzato a UChicago, dove sono stati raccolti i dati per questo studio. Gabe Hoshino, dottorando dell’Università di Chicago, ha guidato il funzionamento del rilevatore, insieme agli studenti universitari Alex Lapuente e Mira Littmann.

L’Argonne National Laboratory mantiene un’importante struttura magnetica che verrà utilizzata per la fase successiva del programma di fisica BREAD. Altre istituzioni, tra cui lo SLAC National Accelerator Laboratory, il Lawrence Livermore National Laboratory, l’Illinois Institute of Technology, il MIT, il Jet Propulsion Laboratory, l’ Università di Washington, Caltech e l’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign, stanno lavorando con UChicago e Fermilab su Ricerca e sviluppo per versioni future dell’esperimento.

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