Le nuove mosse di COSINE-100 nella ricerca sulla materia oscura

Nel vivace mondo della scienza, c'è un argomento scottante: la Materia Oscura. È una roba misteriosa che costituisce una grande parte dell'universo, ma non riusciamo a vederla. Gli scienziati stanno correndo per trovarla, e tra loro ci sono anche i nostri amici dell'esperimento COSINE-100. Stanno aggiornando la loro attrezzatura per cercarla ancora più da vicino. Immagina di aggiornare il tuo vecchio telefono per trovare una connessione migliore in un'area affollata.

#Il Liquid Scintillator

Per questo aggiornamento, hanno preparato un nuovo lotto di liquid scintillator (chiamiamolo LS per brevità). Non è il tuo succo normale; è un liquido speciale fatto di benzene lineare-alchilico, che suona fancy, ma aiuta a catturare i segnali di materia oscura. Il piano è di usare 2.400 litri di questo LS in un nuovo laboratorio sotterraneo a Yemilab. Questo LS è come la guardia di sicurezza a una festa, aiutando a individuare eventuali ospiti indesiderati, ovvero, il rumore di fondo che potrebbe rovinare la loro ricerca di materia oscura.

#Come Hanno Misurato la Radiopurezza

Prima di poter iniziare a usare questo LS, i nostri scienziati dovevano assicurarsi che fosse pulito abbastanza per il lavoro. Immagina di usare una spugna sporca per pulire i tuoi piatti; non è il massimo! Hanno preso un campione di 445 mL di LS e l'hanno messo in un contenitore fatto su misura. Due grandi tubi per catturare la luce sono stati attaccati al contenitore per vedere quanto rumore di fondo avesse. Hanno misurato i livelli di uranio (U) e torio (Th), due sospetti che potrebbero rovinare la loro festa se trovati in alte quantità.

#La Caccia alla Materia Oscura

Allora, qual è il problema con la materia oscura? È come quell'amico che continua a parlare di un tesoro misterioso, e non sei sicuro se esista. L'esperimento DAMA ha affermato di aver trovato segnali di materia oscura attraverso segnali misteriosi che cambiano durante l'anno. Per verificare queste affermazioni, è stato lanciato l'esperimento COSINE, sperando di confermare o smentire i risultati.

Dopo 6,5 anni di duro lavoro, il COSINE-100 è tornato con risultati che hanno sollevato qualche sopracciglio, sfidando le affermazioni del DAMA. Ora stanno cercando di alzare il livello con l'Upgrade del COSINE-100, situato nel loro nuovo impianto sotterraneo.

#Il Sistema LS in Azione

Ora, riguardo al sistema LS: gioca un ruolo fondamentale nel capire cosa c'è nei cristalli usati per la rilevazione. I target di cristallo NaI(Tl) si trovano al centro di una scatola acrilica, circondati dai 2.400 litri di LS. Questo assicura che i cristalli siano ben protetti da almeno 40 cm di LS tutto intorno. È come avvolgere il tuo bene più prezioso nel pluriball.

Diciotto tubi cattura luce attaccati alla scatola aiutano a registrare i segnali luminosi prodotti nel LS. In questo modo, qualsiasi luce dall'esterno o dai cristalli stessi viene annotata. Il LS funge da sistema intelligente per sapere quando arriva un raggio gamma (un altro piccolo rompiscatole). Finora, ha mostrato risultati abbastanza buoni, catturando fino al 75% dei segnali che dovrebbe.

#Preparandosi per il Prossimo Passo

Un po' di chimica è stata coinvolta nella realizzazione del LS. Hanno aggiunto una sostanza per aiutarlo a brillare meglio, assicurandosi che la luce non venga sprecata. Tuttavia, poiché il bagliore non era proprio perfetto per i tubi luminosi, hanno usato un altro ingrediente utile per cambiare la lunghezza d'onda e farlo funzionare come si deve.

Prima di aggiungere il LS ai rilevatori, hanno preso tempo per controllarlo per eventuale radioattività indesiderata. Hanno raccolto dati per un mese usando un piccolo rilevatore in un laboratorio a terra, sperando di catturare eventuale radiazione di fondo furtiva.

#Costruire il Rilevatore

Per misurare quanto fosse pulito il LS, il team ha creato un rilevatore speciale per contenere quel campione da 445 mL. L'hanno attrezzato con due tubi luminosi altamente efficienti sistemati in contenitori su misura, assicurandosi che tutto fosse comodo e ben sistemato. Hanno persino creato alcuni fori per far entrare le buone vibrazioni (o luce) mentre tenevano fuori tutto il resto.

Una volta costruito, hanno schermato il tutto con mattoni di piombo per tenere lontana radiazione non desiderata, un po' come indossare la protezione solare per evitare scottature. L'installazione è stata completata con ulteriori strati di materiale protettivo per affrontare qualsiasi cosa l'ambiente potesse lanciare loro.

#Come Hanno Scoperto Cosa Stavano Vedendo

Per sapere quali particelle si stavano mostrando, hanno usato un metodo noto come Discriminazione della forma dell'impulso (PSD). Questo termine fancy significa che hanno scoperto diversi tipi di particelle esaminando la luce che producevano. Guardando il tempismo dei segnali luminosi, potevano dire se fosse l'uranio o il torio a causare il trambusto.

Hanno creato un sistema per misurare quanto fosse buona la loro identificazione delle particelle, il che significava guardare attraverso un sacco di dati per sviluppare criteri per separare i buoni segnali dai cattivi. Erano come detective che risolvono un caso-escludendo i cattivi per arrivare al buono.

#La Calibrazione dell'Energia

Durante la loro indagine, hanno notato picchi distintivi nei dati, che indicavano la presenza di uranio e torio. Ogni picco ha fornito loro informazioni preziose, aiutandoli a calibrare le loro misurazioni energetiche. Hanno dovuto adattare questi picchi a modelli che potessero dirgli cosa stava davvero succedendo.

#Esplorando la Coincidenza Temporale

I nostri scienziati furbi non si sono fermati qui. Hanno anche esaminato come le diverse particelle decadano nel tempo, specialmente con elementi radioattivi come uranio e torio. Hanno scoperto che quando una particella decade, può portare alla decadenza di un'altra particella, apparendo nei dati come una coincidenza temporale.

Tenendo traccia di quanto spesso accadevano queste decadenze e adattandole a delle equazioni, potevano misurare quanta radioattività ci fosse nel LS. Hanno scoperto che alcuni degli eventi che stava contando riguardavano la contaminazione da radon. È come scoprire che l'amico che ha promesso di aiutarti in realtà è un no-show a causa di un altro problema.

#Controllando le Giuste Quantità

I dati raccolti sono stati suddivisi per analizzare ulteriormente i livelli di contaminazione. Si sono resi conto che c'era stata una diminuzione dell'attività nel tempo, che potevano ricondurre alla contaminazione da radon del LS in fase di creazione. Hanno adattato questi dati alle loro equazioni e hanno determinato che i livelli di contaminazione erano piuttosto bassi, il che era una buona notizia.

#Tenendo D'occhio Anche il Torio

Non si sono dimenticati del torio; anche quello può essere subdolo. Applicando metodi simili, hanno controllato l'attività del torio. Hanno individuato eventi di decadimento attraverso coincidenze temporali e quantificato quanto torio fosse presente.

#Tutto Riguardo i Fondi

Ora, il motivo per cui controllano queste contaminazioni è per garantire che la caccia alla materia oscura non venga rovinata dal rumore di fondo. Gli scienziati hanno simulato come sarebbe un “cattivo” fondo, confrontandolo con il modello di fondo reale che avevano dal loro esperimento. Hanno scoperto che i livelli di contaminazione del loro LS erano trascurabili per la loro ricerca di materia oscura, assicurandosi di essere a posto.

#Controlli Finali

Per convalidare ulteriormente i risultati, il team si è rivolto a un metodo diverso-usando rilevatori di Germanio ad Alta Purezza (HPGe). Questo metodo ha controllato anche i contaminanti e hanno scoperto che il loro LS era pulito abbastanza per l'uso che ne avevano bisogno.

#Conclusione

In sintesi, gli scienziati dietro l'upgrade del COSINE-100 hanno intrapreso tutti i passi giusti per assicurarsi che il loro nuovo liquid scintillator fosse in forma. Il lavoro che hanno fatto per valutare i livelli di purezza mostra che sono pronti a spingersi oltre con la loro ricerca di materia oscura. La combinazione di allestimenti intelligenti, tecniche di analisi astute e un po' di pazienza li ha messi sulla strada giusta.

Chi lo sa, con tutto questo lavoro, potrebbero trovare quella elusive materia oscura o, almeno, raccontare una bella storia sulla festa su come hanno affrontato la radioattività subdola che cercava di rovinare i loro piani!