Materia oscura: la rete globale GNOME per rilevarla

Un team internazionale di ricercatori ha pubblicato per la prima volta dati completi sulla ricerca della materia oscura utilizzando una rete mondiale di magnetometri ottici

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Un team internazionale di ricercatori con la partecipazione chiave del PRISMA + Cluster of Excellence presso la Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e l’Helmholtz Institute Mainz (HIM), ha pubblicato per la prima volta dati completi sulla ricerca della materia oscura utilizzando una rete mondiale di magnetometri ottici.

Secondo gli scienziati, i campi di materia oscura dovrebbero produrre un modello di segnale caratteristico che può essere rilevato da misurazioni correlate in più stazioni della rete GNOME. L’analisi dei dati di un’operazione GNOME, non ha ancora fornito un’indicazione corrispondente. Tuttavia, la misurazione consente di formulare vincoli sulle caratteristiche della materia oscura, come riportano i ricercatori sulla prestigiosa rivista Nature Physics.

GNOME sta per Rete globale di magnetometri ottici per ricerche di fisica esotica. Dietro ci sono magnetometri distribuiti in tutto il mondo in Germania, Serbia, Polonia, Israele, Corea del Sud, Cina, Australia e Stati Uniti. Con GNOME, i ricercatori vogliono in particolare far avanzare la ricerca della materia oscura, una delle sfide più entusiasmanti della fisica fondamentale nel 21° secolo. Dopotutto, è noto da tempo che molte osservazioni astronomiche sconcertanti, come la velocità di rotazione delle stelle nelle galassie o lo spettro della radiazione cosmica di fondo, possono essere meglio spiegate dalla materia oscura.

Rete mondiale GNOME.
Rete mondiale GNOME.

“Oggi le particelle bosoniche estremamente leggere sono considerate uno dei candidati più promettenti per la materia oscura. Questi includono le cosiddette particelle simili ad assioni – ALP in breve”, ha affermato il professor Dmitry Budker, professore al PRISMA + e all’HIM, una collaborazione istituzionale dell’Università Johannes Gutenberg di Mainz e del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung a Darmstadt.

“Possono anche essere considerati come un classico campo oscillante con una certa frequenza. Una particolarità di tali campi bosonici è che – secondo un possibile scenario teorico – possono formare pattern e strutture. Di conseguenza, la densità della materia oscura potrebbe essere concentrata in molte regioni diverse: ad esempio, potrebbero formarsi pareti di domini discreti più piccole di una galassia ma molto più grandi della Terra”.

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“Se un tale muro incontra la Terra, viene gradualmente rilevato dalla rete GNOME e può causare schemi di segnali caratteristici transitori nei magnetometri”, ha spiegato il dottor Arne Wickenbrock, uno dei coautori dello studio. “Ancora di più, i segnali sono correlati tra loro in determinati modi, a seconda della velocità con cui si muove il muro e quando raggiunge ogni posizione”.

Configurazione basata su Mainz della rete GNOME.
Configurazione basata su Mainz della rete GNOME.

La rete nel frattempo è composta da 14 magnetometri distribuiti in otto paesi in tutto il mondo, nove dei quali hanno fornito dati per l’analisi in corso. Il principio di misurazione si basa su un’interazione della materia oscura con gli spin nucleari degli atomi nel magnetometro. Gli atomi vengono eccitati con un laser a una frequenza specifica, orientando gli spin nucleari in una direzione. Un potenziale campo di materia oscura può disturbare questa direzione, che è misurabile.

In senso figurato, si può immaginare che gli atomi nel magnetometro inizialmente danzano confusi, come chiarito da Hector Masia-Roig, dottorando del gruppo Budker e anche autore del presente studio. “Quando sentono la giusta frequenza della luce laser, ruotano tutti insieme. Le particelle di materia oscura possono sbilanciare gli atomi danzanti. Possiamo quindi misurare questa perturbazione in modo molto preciso”.

Ora la rete dei magnetometri diventa importante: quando la Terra si muove attraverso un muro di materia oscura spazialmente limitato, gli atomi danzanti in tutte le stazioni vengono gradualmente disturbati. Una di queste stazioni si trova in un laboratorio dell’Istituto Helmholtz di Magonza. “Solo quando abbiniamo i segnali di tutte le stazioni possiamo valutare cosa ha innescato il disturbo”, ha affermato Masia-Roig

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Nel presente studio, il team di ricerca analizza i dati di un mese di funzionamento continuo di GNOME. Il risultato: i segnali statisticamente significativi non sono apparsi nell’intervallo di massa studiato da un femtoelettronvolt (feV) a 100.000 feV. Al contrario, ciò significa che i ricercatori possono restringere la gamma in cui tali segnali potrebbero teoricamente essere trovati anche più lontano di prima. Per gli scenari che si basano su pareti di materia oscura discrete, questo è un risultato importante, “anche se non siamo ancora stati in grado di rilevare un tale muro di domini con la nostra ricerca ad anello globale”, ha aggiunto Joseph Smiga, un altro dottorando a Magonza e autore di lo studio.

Il lavoro futuro della collaborazione GNOME si concentrerà sul miglioramento sia dei magnetometri stessi che dell’analisi dei dati. In particolare, il funzionamento continuo dovrebbe essere ancora più stabile. Questo è importante per cercare in modo affidabile segnali che durano più di un’ora. Inoltre, i precedenti atomi alcalini nei magnetometri devono essere sostituiti da gas nobili. Con il titolo Advanced GNOME, i ricercatori si aspettano che ciò si traduca in una sensibilità notevolmente migliore per misurazioni future nella ricerca di ALP e materia oscura.