Nuovi approcci per rilevare la materia oscura

C'è una forte convinzione tra gli scienziati che gran parte dell'universo sia costituito da una forma misteriosa di materia nota come Materia Oscura. A differenza della materia normale, la materia oscura non emette luce o energia, il che la rende difficile da rilevare. Gli scienziati pensano che la materia oscura possa essere composta da particelle speciali che dobbiamo ancora scoprire. Anche se molti tentativi sono stati fatti per trovare queste particelle, non le abbiamo ancora rilevate direttamente, lasciando sconosciute molte delle loro proprietà, come la massa e come interagiscono con la materia normale.

La maggior parte delle ricerche sulla materia oscura si è concentrata su particelle piuttosto pesanti, con masse che vanno da miliardi di elettronvolt (GeV) a trilioni di elettronvolt (TeV). I ricercatori di solito cercano queste particelle cercando di osservare collisioni rare in rivelatori situati in profondità sottoterra. Tuttavia, ci sono anche teorie che suggeriscono che alcune particelle di materia oscura potrebbero essere molto più leggere, con masse inferiori a un miliardesimo di elettronvolt (sub-GeV). Per indagare su queste particelle più leggere, gli scienziati hanno sviluppato nuove tecniche che possono identificare diversi tipi di collisioni.

Nelle ricerche tipiche sulla materia oscura, gli scienziati assumono che una particella di materia oscura interagisca elasticamente con un nucleo, il che significa che l'energia e il momento sono conservati durante il processo. Quando una particella di materia oscura è molto più leggera del nucleo, l'energia di rinculo da una collisione del genere è molto piccola, portando a una sensibilità limitata quando si cerca di trovare questi candidati più leggeri. Tuttavia, se l'interazione coinvolge un'altra particella, può cambiare la dinamica della collisione, permettendo l'identificazione di particelle di materia oscura più leggere.

In questa analisi, i ricercatori si sono concentrati su due tipi di canali di diffusione inelastica. Il primo coinvolge la Radiazione di Bremsstrahlung, dove un fotone viene emesso durante l'interazione. Il secondo canale coinvolge l'Effetto Migdal, dove un rinculo nucleare può disturbare elettroni vicini, causando la loro espulsione. Esaminando questi nuovi canali, gli scienziati possono potenzialmente rilevare particelle di materia oscura che sfuggono alla rilevazione attraverso la diffusione elastica tradizionale.

L'esperimento Super Cryogenic Dark Matter Search (SuperCDMS) era situato a circa 700 metri sottoterra in un laboratorio noto per minimizzare le interferenze di fondo. Durante il suo funzionamento dal 2012 al 2015, l'esperimento ha utilizzato diversi rivelatori di germanio, progettati per cercare particelle di materia oscura con masse da pochi a diversi GeV. Questi rivelatori sono stati costruiti per proteggere dalle radiazioni di fondo utilizzando vari materiali e tecniche.

Per prepararsi all'analisi, i ricercatori si sono concentrati sui dati raccolti da un particolare tipo di rivelatore noto come CDMSlite, che operava in modalità ad alta tensione per amplificare segnali deboli. È stata fatta una selezione accurata degli eventi per garantire la qualità dei dati eliminando eventi causati da rumore o problemi elettronici. L'analisi mirava quindi a comprendere la velocità delle particelle di materia oscura in arrivo mentre si dirigevano verso i rivelatori.

Un aspetto difficile per rilevare la materia oscura è che mentre viaggia attraverso l'atmosfera e la Terra, può urtare atomi e perdere energia. In questo studio, i ricercatori hanno preso in considerazione questa perdita di energia modellando come influisce sulla velocità delle particelle di materia oscura applicando un parametro di dampening che considera i materiali e le distanze che le particelle attraversano.

Quando queste particelle colpiscono il rivelatore, i processi di diffusione inelastica portano alla produzione di segnali rilevabili, sia sotto forma di fotoni che di elettroni. Analizzando questi segnali, il team di ricerca poteva stabilire limiti sulle possibili masse delle particelle di materia oscura.

I ricercatori hanno introdotto due canali principali: il processo di radiazione di bremsstrahlung e l'effetto Migdal. Nel caso della radiazione di bremsstrahlung, un fotone viene emesso quando una particella di materia oscura si scontra con un nucleo. I ricercatori hanno derivato un tasso per questa emissione di fotoni basato su vari parametri fisici, permettendo loro di calcolare i segnali attesi.

L'effetto Migdal si verifica quando il rinculo di un nucleo dovuto a un evento di diffusione di materia oscura provoca lo spostamento di elettroni vicini, permettendo anche la loro espulsione. Questo effetto, come la radiazione di bremsstrahlung, porta a segnali rilevabili che possono indicare la presenza di materia oscura.

I ricercatori hanno anche modellato le fonti di fondo che potrebbero interferire con i loro risultati, come la radioattività e altri processi che potrebbero imitare i segnali della materia oscura. Comprendendo queste fonti di fondo e i loro contributi al segnale complessivo, i ricercatori sono stati in grado di progettare un quadro analitico efficace.

L'ultimo passo ha coinvolto l'uso di un metodo statistico noto come analisi della verosimiglianza del profilo. Questo approccio ha permesso ai ricercatori di determinare se eventuali eventi in eccesso sopra il fondo atteso potessero indicare la presenza di materia oscura. Nonostante le ricerche approfondite attraverso entrambi i canali, non sono stati rilevati eventi significativi in eccesso.

Attraverso la loro analisi, i ricercatori sono stati in grado di escludere alcuni intervalli di masse di materia oscura utilizzando l'effetto Migdal, in particolare nell'intervallo di circa 0.032 a 0.1 GeV. Anche se il canale di radiazione di bremsstrahlung non ha escluso nuovi intervalli di massa, ha fornito la ricerca più sensibile del suo genere per masse comprese tra 0.22 e 0.4 GeV.

La ricerca evidenzia gli sforzi continui per identificare e comprendere la materia oscura, specialmente le particelle più leggere che rimangono elusive. Man mano che gli scienziati affinano le loro strategie di ricerca, la speranza è di raccogliere maggiori informazioni sulla natura della materia oscura e sul suo ruolo nell'universo.

In conclusione, questo studio fa luce su nuovi metodi per rilevare particelle di materia oscura a bassa massa esaminando i processi di diffusione inelastica. Anche se i risultati non hanno portato alla rilevazione diretta della materia oscura, hanno fornito importanti vincoli sulle sue proprietà, aprendo nuove strade per future ricerche. La ricerca per comprendere i componenti sconosciuti del cosmo continua mentre gli scienziati sviluppano e applicano tecniche sempre più sofisticate nelle loro indagini.