Nuovo design del sensore punta a rilevare particelle di materia oscura

Gli scienziati stanno cercando particelle misteriose chiamate assioni o fotoni scuri, che potrebbero aiutare a spiegare alcuni aspetti dell'universo. Per trovare queste particelle, hanno bisogno di attrezzature molto sensibili, in particolare sensori che possano rilevare la luce a livelli molto bassi e con il minimo disturbo da altre sorgenti di rumore. Questo articolo parla di un nuovo tipo di sensore che potrebbe migliorare la qualità di queste ricerche.

#Contesto

Assioni e fotoni scuri sono particelle ipotetiche che potrebbero spiegare la materia oscura, una forma di materia che non emette luce ed è invisibile ai telescopi tradizionali. I ricercatori stanno cercando segni di queste particelle attraverso vari esperimenti. Un approccio comune è quello di cercare segnali che sorgono quando assioni o fotoni scuri interagiscono con la luce del modello standard della fisica, che è ciò che attualmente conosciamo sulle particelle e le loro interazioni.

Ci sono diversi tipi di esperimenti in corso per cercare queste particelle. Alcuni usano grandi magneti per cercare di convertire le particelle di materia oscura in particelle di luce standard. Altri cercano di trasformare la luce in assioni e poi di nuovo. Ognuno di questi setup si basa su rivelatori di luce sensibili per catturare segnali di fotoni rari che potrebbero indicare la presenza di queste particelle esotiche.

#La sfida

Una grande sfida in questi esperimenti è il Rumore di fondo, che può oscurare i segnali che i ricercatori stanno cercando di rilevare. Il rumore di fondo può provenire da varie sorgenti, come la luce ambientale o addirittura i sensori stessi. Per cercare efficacemente assioni o fotoni scuri, i ricercatori hanno bisogno di sensori che possano funzionare con livelli di rumore molto bassi e alta sensibilità.

#Sensori a bordo di transizione

I Sensori a bordo di transizione (TES) sono un tipo di sensore che è stato usato in diversi esperimenti di fisica. Sono noti per il loro basso rumore e la capacità di rilevare una vasta gamma di energie luminose. Tuttavia, nei test recenti, è stato scoperto che questi sensori possono captare segnali di fondo indesiderati, complicando la ricerca di eventi rari come le interazioni degli assioni.

L'idea principale dietro il miglioramento della sensibilità di questi sensori è monitorare sia l'energia depositata dai fotoni in arrivo che l'energia persa come fononi, che sono vibrazioni nel materiale che trasportano energia. Analizzando sia i segnali elettrici dai sensori che i segnali fononici dai loro substrati, i ricercatori possono distinguere meglio tra segnali reali provenienti da assioni e rumore di fondo.

#Progetto del sensore proposto

Il nuovo design del sensore presenta un sensore a bordo di transizione accoppiato con un sensore fononico speciale. L'obiettivo è catturare l'energia dei fotoni che colpiscono direttamente il sensore e l'energia che si allontana come fononi. Richiedendo che sia il sensore dei fotoni che il sensore dei fononi rispondano contemporaneamente, i ricercatori possono aiutare a garantire che stiano rilevando segnali genuini provenienti da assioni o fotoni scuri invece di rumore.

#Configurazione sperimentale

Negli esperimenti, i ricercatori illuminano il sensore e osservano quanta energia viene catturata. Usano un laser che emette fotoni di energia specifica per calibrare la risposta del sensore. Questo li aiuta a capire la relazione tra la luce che stanno rilevando e i segnali elettrici prodotti.

Durante la calibrazione, la maggior parte dell'energia va nel sensore fononico, confermando che la configurazione di design permette ai fononi di scappare prima di essere registrati dal TES. Questo significa che per i segnali essere validi, entrambi i sensori devono registrare energia contemporaneamente.

#Risultati e osservazioni

I risultati iniziali indicano che quando un fotone colpisce il sensore, circa il 35% della sua energia viene assorbita dal sistema elettronico del TES, mentre il 26% va nel sensore fononico. Questa distribuzione dell'energia fornisce informazioni su come stanno funzionando i sensori.

Una scoperta interessante è stata che il rumore nel sistema sembra allinearsi con specifici intervalli di energia. Sotto una certa soglia energetica, il rumore di fondo si comporta come fluttuazioni casuali, mentre a energie più alte si verificano eventi più strutturati che si allineano con le ipotizzate interazioni della materia oscura.

#Analisi del rumore di fondo

I ricercatori hanno analizzato vari tipi di rumore che potrebbero interferire con i loro risultati. Hanno identificato due tipi principali di segnali di fondo: quelli che sembravano coerenti con eventi fononici e altri che sembravano isolati al TES. I fondi correlati ai fononi si pensava fossero dovuti a eventi a bassa energia, mentre il rumore legato al TES era più imprevedibile.

Inoltre, gli scienziati hanno raccolto dati per un lungo periodo per avere un quadro più chiaro del rumore di fondo. Questo sforzo li ha aiutati a differenziare i segnali genuini dal rumore, permettendo loro di concentrarsi su strade promettenti per rilevare assioni e fotoni scuri.

#Lavori futuri e miglioramenti

I ricercatori esprimono speranza per ulteriori miglioramenti nella tecnologia dei sensori. Riconoscono che minimizzare le dimensioni dei sensori e migliorare i loro design può aumentare significativamente le prestazioni. Riducendo le dimensioni fisiche del TES, puntano a ridurre il rumore di fondo e migliorare la capacità di rilevamento dei segnali.

Le future iterazioni del sensore si concentreranno anche sull'aumento della risoluzione delle capacità di rilevamento dei fononi. Un sistema di veto fononico più preciso aiuterà a differenziare tra segnali reali e rumore di fondo, rendendo la ricerca della materia oscura più efficiente.

#Conclusione

Nella ricerca di candidati per la materia oscura come assioni e fotoni scuri, avere gli strumenti giusti è cruciale. Lo sviluppo di questo nuovo design del sensore promette di migliorare la sensibilità e l'accuratezza del rilevamento della luce negli esperimenti. Continuando a perfezionare queste tecnologie, i ricercatori sperano di svelare i segreti della materia oscura e della struttura fondamentale del nostro universo.

In generale, i progressi proposti in questo lavoro potrebbero portare a esperimenti migliori, risultati più chiari e, infine, a una comprensione più profonda di alcuni degli aspetti più sfuggenti e intriganti della fisica di oggi.