“Il mondo invisibile delle particelle nascoste del settore” – I magnoni ed i fononi per rilevare la Materia Oscura

Attenzione: stai per entrare in un mondo invisibile delle quasiparticelle anisotrope di magnoni e fononi mentre il pianeta Terra si muove attraverso l'alone della materia oscura della Via Lattea.

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La materia oscura scorre sempre attraverso di noi, anche in questa stanza“, afferma Kathryn Zurek del Caltech, professoressa di fisica teorica, sulla possibilità che la materia oscura sia costituita da particelle di “settore nascosto”, che sono più leggere delle particelle proposte in precedenza. “Mentre ci muoviamo intorno al centro della galassia, questo costante vento di materia oscura passa per lo più inosservato. Ma possiamo ancora sfruttare questa fonte di materia oscura e progettare nuovi modi per cercare rare interazioni tra il vento della materia oscura e il rivelatore“.

Particelle nascoste più leggere

Queste particelle più leggere del “settore nascosto“, proposte da Zurek dieci anni fa, potrebbero, in teoria, essere trovate usando piccoli dispositivi sotterranei. Al contrario, gli scienziati stanno cercando candidati più pesanti per la materia oscura chiamati WIMP (particelle voluminose che interagiscono debolmente) attraverso esperimenti su larga scala come XENON, che è installato sottoterra in un serbatoio d’acqua Sooto la montagna del Grn Sasso, in Italia.
In un nuovo documento accettato per la pubblicazione sulla rivista Physical Review Letters, i fisici descrivono come le particelle di materia oscura più leggere potrebbero essere rilevate attraverso un tipo di quasiparticella nota come magnone.
Una quasiparticella è un fenomeno che si verifica quando un solido si comporta come se contenesse particelle che interagiscono debolmente.
I magnoni sono un tipo di quasiparticella in cui gli spin degli elettroni, che agiscono come piccoli magneti, sono eccitati dalla collettività. Nell’idea dei ricercatori, un materiale magnetico cristallizzato dovrebbe venir utilizzato per cercare segni di magnoni eccitati generati dalla materia oscura.

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Alleggerire il Protone

Se le particelle di materia oscura sono più leggere del protone, diventa molto difficile rilevare il loro segnale con mezzi convenzionali“, afferma l’autore dello studio Zhengkang (Kevin) Zhang, studioso post dottorato al Caltech. “Ma, secondo molti modelli ben motivati, in particolare quelli che coinvolgono settori nascosti, le particelle di materia oscura possono accoppiarsi agli spin degli elettroni, in modo tale che una volta che colpiscono il materiale, indurranno eccitazioni di spin o magnoni. Se riduciamo il rumore di fondo raffreddando l’apparecchiatura e spostandola sottoterra, potremmo sperare di rilevare i magnoni generati esclusivamente dalla materia oscura e non dalla materia ordinaria“.

Modifiche al segnale

Un segno rivelatore di un rilevamento di materia oscura negli esperimenti sarebbero le modifiche al segnale che dipendono dall’ora del giorno. Ciò è dovuto al fatto che i cristalli magnetici utilizzati per rilevare la materia oscura possono essere anisotropi, il che significa che gli atomi sono naturalmente disposti in modo tale che tendono ad interagire con la materia oscura più fortemente quando questa arriva da determinate direzioni.
Mentre la Terra si muove attraverso l’alone della materia oscura galattica, sente il vento della materia oscura soffiare dalla direzione in cui si sta muovendo il pianeta. Un rivelatore fissato in una certa posizione sulla Terra ruota con il pianeta, quindi il vento della materia oscura lo colpisce da diverse direzioni in diversi momenti della giornata, diciamo, a volte dall’alto, a volte lateralmente”, spiega Zhang.
Durante il giorno, ad esempio, potresti avere un tasso di rilevamento più elevato quando la materia oscura viene dall’alto rispetto al lato. Se lo vedessi, sarebbe piuttosto spettacolare e un’indicazione molto forte che stavi vedendo la materia oscura“.

Ecco, i fononi

I ricercatori hanno altre idee su come la materia oscura possa rivelarsi, oltre ai magnoni. Hanno proposto che le particelle di materia oscura più leggere possano essere rilevate tramite i fotoni e con un altro tipo di quasiparticella chiamato fonone, che è causato dalle vibrazioni di un reticolo cristallino.
Esperimenti preliminari basati su fotoni e fononi sono in corso presso l’UC Berkeley, dove il team era basato prima che Zurek entrasse a far parte della facoltà del Caltech nel 2019. I ricercatori affermano che l’uso di queste strategie multiple per cercare la materia oscura è cruciale perché si completano a vicenda e possono aiutare gli altri test in corso a confermare i risultati reciproci.
Stiamo cercando nuovi modi per cercare la materia oscura perché, dato quanto poco sappiamo della materia oscura, vale la pena considerare tutte le possibilità“, afferma Zhang.
Fonte: Tanner Trickle et al. Rilevamento della materia oscura chiara con i magnoni, lettere di revisione fisica (2020). DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.201801