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Camera a bolle per scovare Materia Oscura

 

L’ultimo risultato dall’esperimento PICO pone alcuni tra i migliori limiti mai avuti sulle proprietà di alcuni tipi di materia oscura. Il progetto PICO intende rivelare particelle di materia oscura, basandosi su una tecnica semplice: la camera a bolle. Gli esperimenti sono installati ad una profondità di 2 km nel laboratorio sotterraneo SNOLAB a Sudbury, Ontario, Canada. La collaborazione PICO sta effettuanfo due esperimenti alla ricerca di materia oscura: una camera a bolle riempita con ~ 57 kg di C 3 F 8 (octafluoropropano)  ed un’altra con 3 kg . Una versione molto più grande di questo esperimento, con un massimo di 500 kg di massa attiva, è in fase di sviluppo.PICO ha avuto il suo inizio nel 2005 come collaborazione tra l’Università di Chicago e il Dipartimento di Energia del Fermilab (DOE). L’esperimento inizialmente aveva un nome diverso, COUPP, e più tardi si fuse con l’esperimento PICASSO per formare PICO. Nei primi giorni dell’ esperimento gran parte del lavoro degli scienziati del Fermilab è stata dedicata alla re-ingegnerizzazione della camera a bolle. La camera a bolle non è certo un concetto nuovo – è stata inventata nel 1952 –  e la tecnologia obsoleta. E ‘stato un ritorno alla vecchia scuola della fisica delle particelle a bassa tecnologia, quando i collaboratori del Fermilab hanno cominciato a ridisegnare  la camera a bolle di PICO; le camere a bolle sono state ‘dismesse’ alla fine degli anni ’80 del secolo scorso, perchè troppo lente per tenere il passo con gli esperimenti che richiedevano un alto tasso di dati. Di conseguenza, sono state eliminate con la comparsa degli acceleratori di particelle moderni come il Tevatron del Fermilab e il Large Hadron Collider del CERN, che utilizzando elettronica complessa, sono stati in grado di raccogliere milioni di volte più dati rispetto alle camere a bolle.

Le classiche camere a bolle erano progettate per convertire l’energia depositata da una particella subatomica in una bolla che poteva essere osservata. In un liquido come l’acqua, a temperatura ambiente, le collisioni di particelle non producono nulla di evidente. Per essere sensibile alle particelle, il fluido all’interno della camera viene riscaldato ad appena sopra il suo punto di ebollizione, e quando le particelle entrano nella camera, un pistone ne diminuisce improvvisamente la sua pressione, ed il liquido entra in una fase metastabile surriscaldato. Le particelle cariche creano una traccia di ionizzazione, attorno alla quale il liquido vaporizza, formando microscopiche bolle. In effetti è possibile osservare direttamente la formazione della bolla: mentre in tipici esperimenti di fisica delle particelle con gli acceleratori le informazioni sulle interazioni tra le particelle è data solo attraverso le interfacce del computer, in PICO le interazioni sono visibili ad occhio nudo come bolle.

La  cosa sorprendente di PICO è che viene utilizzato un disegno relativamente semplice del rilevatore rispetto agli altri esperimenti di materia oscura in corso, e a differenza delle camere a bolle tradizionali per il rilevamento di particelle cariche, la camera a bolle di PICO è progettata per cercare sfuggenti WIMP – particella ipotizzata di materia oscura che interagisce debolmente con la materia ordinaria, quindi molto difficile da rivelare – di  carica neutra che potrebbe richiedere anni per la sua rivelazione.

La forza debole che governa le WIMP è circa 10.000 volte più debole della forza elettromagnetica. Le particelle che interagiscono attraverso la forza debole, come le WIMP e i neutrini, non interagiscono spesso, e questo li rende difficili da catturare. Ma una WIMP che si muove lentamenete può depositare energia sufficiente per essere visibile in un rivelatore. Calibrando attentamente il calore e la pressione del fluido nella camera a bolle di PICO, gli scienziati sono stati in grado di rendere il rivelatore sensibile solo alle interazioni di particelle massive come WIMP. Essi sono stati anche in grado di evitare gran parte del fondo standard, come segnali da elettroni e raggi gamma, che affliggono ad esempio altri rivelatori di materia oscura. Per padroneggiare la tecnologia per fare ciò, ci sono voluti anni. Predecessori di PICO hanno iniziato con poco più che provette riempite con qualche cucchiaino di liquido, per poi diventare recipienti, fino ad utilizzare  telecamere digitali per vedere le bolle e  il pickup acustico per migliorare la capacità di distinguere tra particelle di materia oscura ed altre sorgenti quando analizzano i dati. In altre parole, se una WIMP crea una bolla, PICO sarebbe in grado di vedere non solo la prova della materia oscura, ma ‘udirla’ pure, perchè utilizzando questa tecnologia acustica, i ricercatori sono stati in grado di porre il veto in modo efficace su bolle che non si sarebbero mai potute creare da WIMP, permettendo loro di eliminare lo sfondo.

Come si è visto dagli ultimi risultati dell’esperimeto, PICO non ha visto nessuna bolla creata da WIMP, ma questo  ha aumentato la  capacità di vedere WIMP spin-dipendenti di un fattore 17, rispetto agli esperimenti precedenti. Immissione di limiti di questi fattori può suggerire ai fisici dove andare a cercare successivamente la materia oscura.

La ricerca sulla materia oscura spazia in più direzioni, quindi la varietà di teorie richiede una varietà di diversi esperimenti. Ci sono altri esperimenti che ricercano diverse particelle da diverse sorgenti di materia oscura, come particelle chiamate assioni o neutrini sterili. La ricerca di PICO per WIMP ha un focus specifico sulle cosiddette WIMP  spin-dipendente. La conoscenza di queste particelle è ancora teorica, ma in linea di massima le loro interazioni con la materia normale cadrebbero in due categorie:. una che non è sensibile alla rotazione del nucleo, e l’altra che invece lo è. Lo spin, come la carica, è una quantità intrinseca portata dalle particelle e dai nuclei atomici. PICO si rivolge principalmente per quelle interazioni di WIMP che sono sensibili alla rotazione del nucleo.In sostanza, il risultato di PICO è che queste WIMP  spin-sensibile, se esistono, devono interagire molto di rado – altrimenti PICO avrebbe visto più bolle. Questo risultato, che è di gran lunga il migliore mai visto per WIMP  spin-sensibili che interagiscono con i protoni, non esclude l’esistenza di WIMP. Ci sono molti altri posti  per cercare ancora la materia oscura, ma grazie a PICO, si può nascondere in un minor numero di posti!

PICO ha all’attivo circa 50 fisici da 20 istituzioni in Canada, Europa, India, Messico e Stati Uniti e riceve sostegno da parte del US Department of Energy Office of Science e National Science Foundation.

Dark matter search results fron the PICO-60 C3F8 Bubble chamber – [C. Amole et al. 2017]

Fonte: FermiLab

Stefania de Luca è owner del gruppo facebook Astrofisica, cosmologia e fisica particellare

 

 

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