Cercare materia oscura con un rilevatore al germanio

Le osservazioni e le misurazioni cosmologiche raccolte in passato suggeriscono che la materia ordinaria, che include stelle, galassie, il corpo umano e innumerevoli altri oggetti e organismi viventi, costituisce solo il 20% della massa totale dell'universo

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La massa mancante dell’universo è stata teorizzata essere costituita dalla cosiddetta materia oscura, un tipo di materia che non assorbe, riflette o emette luce e può quindi essere osservata solo indirettamente attraverso effetti gravitazionali sull’ambiente circostante.

Sebbene l’esatta natura di questo sfuggente tipo di materia sia ancora sconosciuta, negli ultimi decenni i fisici hanno identificato molte particelle che vanno oltre il modello standard e che potrebbero possibili candidati per essere i costituenti della materia oscura. Hanno quindi tentato di rilevare queste particelle utilizzando due tipi principali di rilevatori di particelle avanzati: rilevatori a semiconduttore su scala grammo e rilevatori gassosi su scala ton.

La collaborazione EDELWEISS, un ampio gruppo di ricercatori che lavorano presso l’Université Lyon 1, l’Université Paris-Saclay e altri istituti in Europa, ha recentemente effettuato la prima ricerca della materia oscura Sub-MeV utilizzando un rilevatore a base di germanio (Ge). Sebbene il team non sia stato in grado di rilevare la materia oscura, ha stabilito una serie di vincoli che potrebbero informare le future indagini.

“EDELWEISS è un esperimento di ricerca diretta della materia oscura. In quanto tale, il nostro obiettivo principale è rilevare la materia oscura per fornire una prova inconfutabile della sua esistenza”, ha detto a Phys.org Quentin Arnaud, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio.

“Tuttavia, l’assenza di rilevamento è di per sé un risultato importante, perché questo ci consente di testare e stabilire vincoli sui modelli di particelle di materia oscura esistenti”.



Ci sono due ragioni principali per cui le particelle di materia oscura sono finora sfuggite al rilevamento. In primo luogo, la probabilità che queste particelle interagiscano con la materia ordinaria, come quella all’interno dei rivelatori di particelle convenzionali, è estremamente piccola.

In secondo luogo, il segnale che i ricercatori si aspettano derivi da una particella di materia oscura che colpisce il rivelatore è di diversi ordini di grandezza inferiore ai segnali prodotti dalla radioattività naturale. Rilevare questi segnali richiederebbe quindi tempi di esposizione del rivelatore molto lunghi e l’uso di strumenti che sono fatti di materiali radiopuri, ma che siano anche adeguatamente schermati e gestiti in profondità nel sottosuolo, in quanto ciò impedisce loro di captare la radioattività ambientale ei raggi cosmici.

Alla fine, ci sarà sempre qualche sfondo residuo che dobbiamo essere in grado di discriminare“, ha spiegato Arnaud. “Pertanto, sviluppiamo tecnologie di rilevamento con la capacità di determinare se i segnali che rileviamo sono indotti da una particella di materia oscura o provengono dallo sfondo radioattivo“.

Arnaud ed i suoi colleghi sono stati i primi a cercare materia oscura sub-MeV utilizzando un rilevatore criogenico al germanio da 33,4gr invece di un rilevatore di particelle a base di silicio. Hanno cercato specificamente particelle di materia oscura che interagissero con gli elettroni. Il rilevatore che hanno usato è stato azionato sottoterra presso il Laboratoire Souterrain de Modane, in Francia.

“Si prevede che l’energia depositata nel nostro rilevatore a seguito di un’interazione tra particelle di materia oscura sia estremamente piccola (<1 keV)”, ha detto Arnaud. “Quando si cercano particelle di materia oscura chiara (masse inferiori a MeV), è anche peggio: l’energia depositata può essere piccola come pochi eV, depositi di energia così piccoli che solo poche tecnologie di rivelazione all’avanguardia possono essere sensibile a loro”.

Il rivelatore utilizzato dalla collaborazione EDELWEISS consiste essenzialmente in un cristallo cilindrico al germanio raffreddato a temperatura criogenica (18 mK o -273,13 C°), con elettrodi in alluminio su ciascun lato del cristallo, su cui il team ha applicato un’alta differenza di tensione. Le collisioni tra particelle e nucleo/atomi all’interno del cristallo portano alla produzione di coppie elettrone-lacuna, che inducono un piccolo segnale di carica mentre si spostano verso la raccolta degli elettrodi.

Inoltre, la collisione di una particella con il reticolo cristallino induce un piccolo aumento della temperatura (inferiore a 1 micro-Kelvin). Questa variazione di temperatura può essere misurata utilizzando un sensore termico molto sensibile noto come sensore a trasmutazione di neutroni (NTD).

Poiché i depositi di energia che dovrebbero teoricamente derivare da particelle di materia oscura inferiori a MeV sono incredibilmente piccoli (nella scala eV), tuttavia, il segnale di carica associato sarebbe troppo piccolo per essere misurabile e l’aumento della temperatura troppo leggero per essere misurata da un sensore NTD.

“Per risolvere questo problema, il nostro rilevatore sfrutta quello che viene chiamato effetto Neganov-Trofimov-Luke (NTL): nei rilevatori di semiconduttori criogenici, la deriva di N coppie di elettroni-lacune attraverso una tensione la differenza produce calore aggiuntivo la cui energia si somma a quella iniziale depositata”, ha detto Arnaud.

“Questo effetto Neganov-Trofimov-Luke (NTL) trasforma essenzialmente un calorimetro criogenico (azionato a ΔV = 0V) in un amplificatore di carica. Un piccolo deposito di energia finisce per dare origine a un elevato innalzamento della temperatura e più alto il voltaggio, maggiore è il guadagno di amplificazione.”

Arnaud e i suoi colleghi hanno stabilito nuovi vincoli sulla miscelazione cinetica dei fotoni oscuri. Nel complesso, i risultati raccolti dimostrano l’elevata rilevanza e il valore dei rilevatori di germanio criogenici nella continua ricerca di interazioni di materia oscura che producono segnali elettronici su scala eV.

La collaborazione EDELWEISS sta ora sviluppando una serie di rilevatori più potenti chiamati SELENDIS (Single ELEctron Nuclear recoil DIScrimination). La caratteristica più importante di questi nuovi rilevatori è una tecnica di discriminazione innovativa che consentirà al team di differenziare tra rimbalzi nucleari ed elettronici fino a una singola coppia elettrone-lacuna con la sola misurazione di segnali di calore piuttosto che richiedere la misurazione simultanea di due osservabili (es., calore/ionizzazione, ionizzazione/scintillazione o calore/scintillazione), come nel caso delle tecniche di discriminazione proposte in precedenza.

“Nessuna tecnologia di rivelazione attualmente esistente può combinare la sensibilità di rilevamento di un singolo elettrone e le capacità di discriminazione”, ha detto Arnaud.

Gli esperimenti di rilevamento diretto ottimizzati per ricerche di materia oscura ad alta massa sono abbastanza sensibili da discriminare il segnale dallo sfondo ma hanno soglie di rilevamento di energia relativamente elevate.

Esperimenti di ricerca di materia oscura a bassa massa, incluso EDELWEISS, hanno soglie di rilevamento a bassa energia senza precedenti ma non possono discriminare il segnale dallo sfondo. Con SELENDIS, il nostro obiettivo è combinare i due sviluppando il primo rivelatore che combina la sensibilità di una coppia di lacune elettroniche e le capacità di discriminazione di fondo.

Riferimenti:https://www.researchgate.net/publication/339642180_First_germanium-based_constraints_on_sub-MeV_Dark_Matter_with_the_EDELWEISS_experiment

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