Searching for Ultralight Dark Matter with M{ö}ssbauer Resonance

Immaginate che l'universo sia riempito da un misterioso oceano invisibile che costituisce la maggior parte della sua massa, ma che non possiamo vedere, toccare o annusare. Gli scienziati chiamano questo "materia oscura". Sappiamo che è presente perché la sua gravità agisce come una mano invisibile, tenendo insieme le galassie e piegando la luce, ma non abbiamo idea di cosa sia fatta realmente. Un'idea entusiasmante è che possa essere composta da particelle "ultraleggere" — così leggere e ondulatorie da comportarsi più come un enorme suono vibrante che come una piccola pallina da biliardo. Se queste onde esistono, potrebbero dare delicati piccoli colpi agli atomi di tutto ciò che ci circonda, causando minuscoli e ritmici spostamenti nella loro energia. La grande domanda è: possiamo costruire un rilevatore abbastanza sensibile da percepire queste spinte microscopiche?

Per rispondere a questo, i fisici usano un trucco chiamato effetto Mössbauer. Pensatelo come all'ultimissimo "diapason" per gli atomi. Normalmente, quando un atomo emette un fotone (una particella di luce), subisce un rinculo simile a quello di una pistola che spara un proiettile, perdendo una minuscola quantità di energia. Ma nell'effetto Mössbauer, l'atomo è bloccato all'interno di un cristallo solido, quindi l'intero cristallo assorbe il rinculo. Questo rende il fotone emesso incredibilmente preciso, come un raggio laser che non vacilla mai. Se qualcosa di sottile come un'onda di materia oscura vi passa attraverso, potrebbe cambiare leggermente l'energia dell'atomo, portando questo perfetto diapason fuori sintonia. Misurando quanto si sposta questa "sintonia", gli scienziati sperano di catturare un fugace sguardo all'oceano di materia oscura invisibile.

Questo articolo, intitolato "Ricerca della materia oscura ultraleggera con la risonanza Mössbauer", propone un nuovo e intelligente modo per ascoltare questi sussurri cosmici. Gli autori, un team di ricercatori dalla Cina, suggeriscono di allestire un esperimento stazionario dove una sorgente di questi fotoni ultra-precisi si trova sul fondo e un rilevatore si trova in alto, separati da una distanza fissa. Si affidano alla gravità terrestre affinché agisca come un righello. Proprio come una palla lanciata verso l'alto rallenta e perde energia, un fotone che viaggia verso l'alto contro la gravità perde anche una minuscola quantità di energia (un fenomeno chiamato redshift gravitazionale). In questo esperimento, se la materia oscura sta dando dei colpi agli atomi, causerà un disallineamento tra la sorgente e il rilevatore. Per correggere questo disallineamento e far sì che i fotoni vengano assorbiti nuovamente, il rilevatore dovrebbe essere spostato verso l'alto o verso il basso di una quantità microscopica. Scansionando questa posizione verticale, il team spera di trovare l'esatto punto in cui si nasconde la "spinta" della materia oscura.

I ricercatori hanno simulato questo esperimento utilizzando due tipi specifici di atomi: l'Argento-109 ($^{109}\text{Ag}$) e lo Scandio-45 ($^{45}\text{Sc}$). Hanno scoperto che l'Argento-109 è la superstar del gruppo. Poiché i suoi livelli energetici sono incredibilmente nitidi, potrebbe teoricamente rilevare spostamenti piccoli quanto $10^{-19}$ GeV$^{-1}$ per le interazioni con i fotoni, $10^{-22}$ GeV$^{-1}$ per i gluoni e $10^{-21}$ GeV$^{-1}$ per i quark. Questi numeri rappresentano quanto fortemente la materia oscura potrebbe comunicare con gli atomi. Sebbene il team non abbia ancora costruito la macchina e trovato la materia oscura, le loro simulazioni al computer suggeriscono che, se questi specifici tipi di materia oscura ultraleggera esistono, questo allestimento potrebbe individuarli. Infatti, per l'Argento-109, la sensibilità è così alta che potrebbe competere con i migliori test attuali del Principio di Equivalenza (che verifica se la gravità agisce allo stesso modo su tutte le cose), specialmente per le masse di materia oscura più leggere.

L'articolo ha anche esaminato lo Scandio-45. Sebbene sia un buon candidato, è un po' più difficile da usare con le sorgenti radioattive tradizionali perché non produce abbastanza fotoni. Tuttavia, gli autori suggeriscono che, se utilizzassimo un laser a raggi X super-brillante (come l'European XFEL) per eccitare gli atomi di Scandio, potrebbe funzionare bene. Le simulazioni mostrano che, mentre l'Argento-109 offre le "orecchie" più forti per ascoltare le onde della materia oscura in questo momento, l'approccio dello Scandio utilizzando laser avanzati potrebbe essere uno strumento potente per il futuro, specialmente se riusciremo a costruire sorgenti di luce ancora più luminose.

In definitiva, questo lavoro non prova che la materia oscura ultraleggera esista, né la esclude. Al contrario, traccia una mappa di dove cercare. Suggerisce che, utilizzando l'incredibile precisione della spettroscopia Mössbauer, possiamo sondare un intervallo di masse della materia oscura compreso tra $10^{-18}$ e $10^{-8}$ eV. Se l'universo è davvero in fermento con queste onde ultraleggere, questo articolo sostiene che un esperimento basato sulla tecnica Mössbauer potrebbe essere il microfono abbastanza sensibile da sentirle, offrendo un modo nuovo e competitivo per risolvere uno dei più grandi misteri della fisica.