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La materia e l'energia oscura giocano a nascondino

Dettagli dei due esperimenti descritti nell'articolo
Dettagli dei due esperimenti descritti nell'articolo INFN/LNGS - UC Berkeley/Holger Muller

I risultati di due nuovi esperimenti restringono il cerchio sulla natura dei due componenti principali dell'Universo. Adesso abbiamo escluso delle possibilità ma il mistero rimane...

Materia Oscura

 Come noto, da decenni le misure fatte sui movimenti degli astri nelle galassie e negli ammassi di galassie, come pure sulla deviazione della luce e sulla radiazione cosmica di fondo, indicano che la materia ordinaria (detta "barionica") costituisce solo 1/6 del contenuto di materia nell'universo. Il rimanente 83% è costituito da una non meglio precisata "materia oscura fredda" (Cold Dark Matter) e il candidato favorito come suo costituente sono le particelle WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), pesanti ma debolmente interagenti con la materia ordinaria; da qui l'estrema difficoltà nel rilevarle in laboratorio. 

 l nuovi risultati vengono dai Laboratori INFN del Gran Sasso (LNGS) e precisamente dall'esperimento XENON100, che utilizza circa 160 chilogrammi di Xeno liquido a 90gradi sotto zero,  accuratamente schermato e tenuto sotto osservazione da una serie di sensibilissimi fotomoltiplicatori per rivelare anche i minimi segnali di luce da eventuali urti delle WIMP con atomi di Xenon (per i dettagli si vedano i link nella sitografia). 

2 XenonBuilding

Apparato dell'esperimento XENON100 ai LNGS (il rivelatore è contenuto nel cilindro in secondo piano) - Credits: INFN / LNSG / XENON100 collaboration

 I nuovi risultati sono in corso di pubblicazione su SciencePhysical Review Letters e hanno richiesto una collaborazione internazionale e 6 anni di lavor. La mancata osservazione di interazioni WIMPS, con una sensibilità molto migliore rispetto al passato, mette in crisi alcuni modelli finora accreditati, tra cui alcuni di quelli ipotizzati per spiegare un segnale rivelato per la prima volta nel 1998 e poi confermato negli anni successivi, sempre ai Laboratori del Gran Sasso, dall’esperimento DAMA/LIBRA (DArk MAtter/Large sodium Iodide Bulk for RAre processes). 

 I precedenti esperimenti, basati sul monitoraggio di cristalli di Ioduro di Sodio, mostravano una modulazione stagionale degli eventi, interpretati come l'effetto del nostro moto di rivoluzione attorno al Sole; una sorta di "vento di materia oscura" analogo al celebre "vento d'etere" ipotizzato a fine '800 e smentito dall'esperimento di Michelson-Morley. La mancata osservazione di questa modulazione in altri laboratori sotterranei era stata spiegata come effetto della particolare natura del rivelatore usato, ipotizzando una tendenza della materia oscura ad interagire maggiormente con gli elettroni (più in generele i leptoni) piuttosto che con i nuclei atomici.

 Per verificare questa ipotesi, gli scienziati della collaborazione XENON hanno sfruttato la capacità del rivelatore di distinguere le interazioni con i nuclei atomici da quelle con gli elettroni, grazie anche ad un livello di rumore di fondo estremamente basso. Se la materia oscura avesse interazioni di questo tipo, XENON100 ne avrebbe trovato una chiara evidenza, cosa che invece non è avvenuta. Questo consente di escludere un certo numero di modelli di interazione "leptofilica" della materia oscura con la materia ordinaria; il fenomeno di modulazione osservato da DAMA/LIBRA rimane difficile da negare e richiede altre spiegazioni.

Xeno

Altra immagine dell'esperimento XENON100 ai LNGS (in basso a destra il recipiente di Xeno all'interno del grande "silos") - Credits: INFN / LNSG / XENON100 collaboration

 L'elevata sensibilità mostrata nei dati di XENON100 consentirà al gruppo di ricerca internazionale di estendere la ricerca di materia oscura anche ad altre forme, fino a oggi escluse. Inoltre, presto entrerà in funzione una versione potenziata da una tonnellata (progetto XENON1T). "Dall'analisi dei dati di XENON100, sappiamo ancora di più su ciò che la materia oscura non è, che è un'informazione molto importante nel campo della fisica delle particelle", dice Elena Aprile, della Columbia University. “Abbiamo escluso i modelli nei quali le interazioni tra la materia oscura e quella ordinaria erano più forti, e con il rilevatore XENON1T potremo testare i modelli nei quali si prevedono interazioni più deboli. Siamo in grado di catturare anche il più flebile indizio di materia oscura. Se questo è il posto giusto per cercare la firma della materia oscura, dovremmo poterla vedere.”

L'esperimento è condotto da una collaborazione internazionale di 120 scienziati provenienti da 22 istituzioni di tutto il mondo ed è In funzione dall’ottobre 2009.

 

Energia Oscura

 Le prime evidenze di energia oscura sono giunte 17 anni fa dall'osservazione di supernove in galassie lontane, poi confermate dalle osservazioni sulla radiazione cosmica di fondo (CMB); questa energia costituisce il 68% del contenuto materia+energia dell'universo ed è responsabile dell'attuale fase di espansione accelerata. Rispetto alla materia oscura, sull'energia oscura le nostre conoscenze sono ancora più vaghe: potrebbe trattarsi di qualcosa intrinseco al tessuto spazio-temporale dell'universo (la costante cosmologica che Albert Einstein aveva introdotto  nelle equazioni della relatività generale e poi rinnegato), oppure potrebbe essere la quintessenza, una quinta forza fondamentale che modifica l'azione della forza di gravità e che viene veicolata da particelle ipotetiche di svariata natura, eventualmente imparentate con il bosone di Higgs.

 Nel 2004, J. Khoury propose una possibile spiegazione alla difficoltà di rilevare le particelle di energia oscura: esse si nasconderebbero alla nostra vista mimetizzandosi come camaleonti. Nel vuoto cosmico, queste particelle-camaleonti hanno una piccola massa ed esercitano forze su lunghe distanze mentre in laboratorio, essendoci materia tutt'intorno, esse acquisirebbero una massa elevata e, di conseguenza, un raggio d'azione molto limitato (in meccanica quantistica, per il principio di indeterminazione, le forze hanno un raggio d'azione inversamente proporzionale alla massa delle particelle virtuali che le mediano).

 "Il campo-camaleonte è leggero nello spazio vuoto, ma non appena entra in un oggetto diventa molto pesante interagisce solo con lo strato più esterno di un grande oggetto, non con le parti interne", ha detto H. Müller (UC Berkeley), "la forza si eserciterebbe solo sul nanometro più esterno".

 Quando P. Hamilton ha letto un articolo del teorico C. Burrage che delineava un modo per rilevare tale particella, ha avuto il sospetto che l'interferometro atomico, realizzato da lui e Müller all'Università di Berkeley, sarebbe stato in grado di rilevare questi "camaleonti". Müller e il suo team avevano costruito ovunque dei rivelatori estremamente sensibili alle forze, in modo da evidenziare le minime anomalie gravitazionali che possano indicare deviazioni dalla relatività generale. Burrage ha suggerito di misurare l'attrazione causata dal campo "camaleonte" tra un atomo e una massa più grande, invece che tra due grandi masse (cosa che avrebbe affievolito l'effetto camaleonte rendendolo non rivelabile).

atominterferometer

Rappresentazione schematica dell'apparato sperimentale usato a Berkeley (a sinistra) e grafici del moto degli atomi e del potenziale creato dalla sfera (a destra)

Immagine tratta dall'articolo "Atom-Interferometry Constraints on Dark Energy" di Hamilton et al (vedi link in fondo)

 A questo punto Hamilton, Müller e il loro team hanno lasciato cadere atomi di Cesio su una piccola sfera di Alluminio (1 cm di diametro) con un foro verticale, attraverstata da un fascio laser; quest'ultimo, rimbalzando tra due specchi, forma una cavità risonante di "Fabry-Perot"; una nuvoletta di atomi di Cesio a bassa temperatura (soli 5 µK) viene sospesa in una "trappola" magneto-ottica a circa 9 mm dalla sfera (vedi porzione "A" del disegno in alto). Il sistema forma un interferometro di "Mach-Zehnder" che permette, tramite impulsi laser a intervalli di tempo regolari, di misurare lo spostamento degli atomi di Cesio (porzione B nel disegno); circa metà di loro assorbe la radiazione del primo impulso e rincula verso l'alto a una velocità di 7 mm/s, il secondo impulso inverte la direzione del movimento mentre il terzo agisce da "separatore di fascio". Il risultato finale è la formazione di una cavità interferometrica analoga a quella in cui si trova il laser ma che agisce sugli atomi sfruttando le proprietà ondulatorie della materia.

 L'apparato descritto permette, in ultima analisi, una misura dell'accelerazione degli atomi di Cesio e questa dipende dall'andamento del potenziale gravitazionale generato dalla sfera (curva nera nel disegno C), eventualmente schermato dall'azione repulsiva delle particelle di energia oscura (curva verde). Il team ha utilizzato circa 10 milioni di atomi e impulsi separati di di 15.5 millisecondi ma non ha rilevato altre forze in gioco oltre alla gravità; questo esclude che ci siano forze di tipo camaleontico con una intensita superiore a un milionesimo della gravità terrestre. Questa osservazione elimina un ampio intervallo di possibili masse per le particelle associate.

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Foto dell'apparato sperimentale effettivamente utilizzato a Berkeley - Credits: UC Berkeley/Holger Muller - processing: M. Di Lorenzo

 Evidenze sulle particelle camaleonti si stanno cercando anche in altri esperimenti in corso al CERN di Ginevra e al FERMILAB in Illinois, così come in altri test condotti con interferometri a neutroni, finora senza successo. Anche Müller e il suo gruppo stanno cercando di raffinare i loro strumenti per ampliare l'intervallo di possibili energie da escludere o, nella migliore delle ipotesi, scoprire invece che le particelle-camaleonti esistono davvero. “Holger ha escluso i camaleonti che interagiscono con la normale materia più fortemente della gravità, adesso sta spingendo l'esperimento in zone dove i camaleonti interagiscono con la materia su una scala comparabile con la gravità, dove è più facile che esistano", ha detto Khoury.

 Queste ricerche aiuterebbero anche a stringere il cerchio su ipotetici campi di energia oscura "schermati", come i symmetrons, e sulle versioni modificate della gravità, le cosiddette gravità f(R). “Nel peggiore dei casi, impareremo molto su cosa l'energia oscura NON è, aiutandoci a capire cosa invece possa essere", ha aggiunto Müller "Un giorno, qualcuno sarà più fortunato e troverà la risposta"

 

Riferimenti:
- https://www.lngs.infn.it/it/news-fisica/xenon100

- https://www.lngs.infn.it/it/pagine/xenon-ita
- http://news.berkeley.edu/2015/08/20/experiment-attempts-to-snare-a-dark-energy-chameleon/
- http://arxiv.org/abs/1502.03888

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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