Design Studies Of A Pulsed Quasimonoenergetic 2-keV Neutron Source For Calibration Of Low Threshold Dark Matter Detectors

Nelle angoli silenziosi dell'universo, si pensa che particelle invisibili note come materia oscura stiano attraversando tutto, compresi i nostri corpi, ogni secondo. Per decenni, gli scienziati hanno costruito enormi rilevatori per catturare queste particelle elusive, ma hanno cercato principalmente particelle pesanti, simili in massa agli atomi. Ora, una nuova ondata di esperimenti sta rivolgendo la sua attenzione alla possibilità che la materia oscura possa essere incredibilmente leggera, con un peso inferiore a un miliardesimo di un miliardesimo di grammo. Il problema è che, se queste particelle sono così leggere, colpirebbero gli atomi ordinari con un tocco così delicato che l'energia risultante sarebbe minuscola, troppo piccola perché le macchine attuali possano vederla chiaramente. Per dimostrare che questi esperimenti funzionano, gli scienziati devono testarli con qualcosa che possano controllare: una sorgente di energia che imiti questi piccoli colpi, ma che sia abbastanza forte da poter essere misurata.

Un team di ricercatori ha progettato una nuova macchina per creare questa specifica, delicata energia. Il loro obiettivo è produrre un flusso di neutroni — particelle che si trovano nel cuore degli atomi — che colpiscano un bersaglio con la forza giusta per creare un rinculo, o un calcio all'indietro, di soli poche migliaia di elettronvolt. Questo è un livello di energia molto specifico, circa duemila volte più debole dell'energia di una tipica reazione nucleare, ma abbastanza forte da essere visto dai rilevatori più sensibili costruiti oggi. Il team non ha ancora costruito la macchina finale; invece, ha utilizzato potenti simulazioni al computer per progettare un sistema in grado di trasformare un normale generatore di neutroni ad alta energia in un fascio preciso a bassa energia. Il loro lavoro mostra che, rallentando e filtrando attentamente queste particelle, è possibile creare un fascio pulito e pulsato di neutroni che possa calibrare gli strumenti alla ricerca delle forme più leggere di materia oscura.

Il viaggio inizia con una macchina compatta che spara raffiche di neutroni ad alta velocità. Questi neutroni iniziano muovendosi molto velocemente, trasportando troppa energia per i delicati rilevatori. Per rallentarli, i ricercatori hanno progettato una serie di strati, come una serie di pareti attraverso cui i neutroni devono passare. Il primo strato è fatto di piombo. Sebbene il piombo sia solitamente noto per fermare le radiazioni, qui serve a uno scopo diverso: agisce come un convertitore. Quando i neutroni veloci colpiscono il piombo, innescano una reazione che aumenta il numero totale di neutroni disponibili riducendo al contempo la loro velocità.

Successivamente, i neutroni si muovono in una miscela di alluminio e un composto chiamato fluoruro di alluminio. Questo materiale è speciale perché i suoi atomi sono disposti in un modo che è molto bravo a rallentare i neutroni che si muovono ancora moderatamente velocemente. I ricercatori hanno mescolato queste polveri e le hanno compresse in un blocco solido per garantire che i neutroni rimbalzassero al suo interno, perdendo energia a ogni collisione. In seguito, i neutroni passano attraverso uno strato di titanio. Questo metallo agisce come un freno finale, catturando i neutroni che sono ancora un po' troppo energetici e rallentandoli fino a raggiungere l'intervallo target di poche migliaia di elettronvolt.

A questo punto, il fascio contiene neutroni di molte diverse velocità, ma gli scienziati ne hanno bisogno solo di quelli che si muovono a un ritmo molto specifico. Per isolarli, utilizzano un filtro fatto di scandio, un metallo che possiede una proprietà unica a questo specifico livello di energia. Esattamente a duemila elettronvolt, lo scandio diventa quasi trasparente ai neutroni, permettendo loro di passare facilmente. Tuttavia, i neutroni che si muovono anche solo leggermente più veloci o più lentamente colpiscono gli atomi di scandio e rimbalzano via o vengono assorbiti. Questo agisce come un setaccio, lasciando passare solo i neutroni con l'energia precisa necessaria per l'esperimento. Il risultato è un fascio composto quasi interamente da neutroni con l'esatta energia richiesta per testare i rilevatori di materia oscura.

Il design doveva anche tenere conto del "rumore" che accompagna una fonte così potente. La macchina iniziale produce non solo neutroni, ma anche raggi gamma, che sono particelle di luce ad alta energia che possono confondere i rilevatori. Per risolvere questo problema, il team ha circondato l'intero assemblaggio con spessi muri di cemento e plastica. Parte della plastica era miscelata con boro, un materiale che è eccellente nel catturare neutroni vaganti prima che possano raggiungere la strumentazione sensibile. Hanno anche aggiunto strati di piombo per bloccare i raggi gamma. Attraverso le loro simulazioni, hanno scoperto che disponendo attentamente questi materiali e persino angolando leggermente il percorso del fascio, potevano ridurre il rumore di fondo a un livello in cui il vero segnale potesse emergere chiaramente.

I ricercatori hanno testato il loro design simulando l'intero processo, tracciando miliardi di neutroni mentre si muovevano attraverso il piombo, la miscela di alluminio, il titanio e il filtro di scandio. Hanno scoperto che il sistema poteva produrre un fascio con la giusta purezza, il che significa che la stragrande maggioranza dei neutroni che raggiungono il rilevatore avrebbe avuto l'energia corretta. Hanno anche simulato come i rilevatori avrebbero risposto, mostrando che il sistema poteva con successo identificare la direzione e l'energia degli urti. Questo è fondamentale perché permette agli scienziati di distinguere tra un vero candidato materia oscura e un evento casuale di fondo.

Guardando al futuro, il team suggerisce che questa stessa configurazione potrebbe essere adattata per produrre neutroni con energie ancora più basse, fino a solo poche elettronvolt. Invece di affidarsi a un filtro per selezionare una velocità specifica, potrebbero utilizzare il tempo impiegato dai neutroni per percorrere una determinata distanza per determinare la loro energia. Poiché i neutroni più lenti impiegano più tempo per arrivare, misurare il tempo di volo permetterebbe agli scienziati di classificare i neutroni per velocità dopo che sono stati prodotti. Questo aprirebbe la porta alla calibrazione dei rilevatori per candidati di materia oscura ancora più leggeri.

Il lavoro descritto qui è un passo critico nella preparazione per esperimenti futuri. Sebbene la macchina stessa non sia stata ancora costruita, le simulazioni forniscono una tabella di marcia chiara su come costruirla. Risolvendo i problemi di come rallentare i neutroni, filtrarli e schermare i rilevatori dal rumore di fondo, i ricercatori hanno dimostrato che è possibile creare una fonte affidabile di rinculi nucleari a bassa energia. Questa capacità sarà essenziale per la prossima generazione di ricerche sulla materia oscura, garantendo che quando questi rilevatori vedranno finalmente un segnale, gli scienziati sapranno con certezza che non si tratta di un evento di fondo.