Timing-Based Search for Magnetic Monopoles with the NOvA Detector on the Surface

I cacciatori di fantasmi invisibili di Ash River

Immaginate che l'universo sia una città frenetica e caotica, costantemente bombardata da una pioggia invisibile fatta di minuscole particelle ad alta velocità. La maggior parte di questa "pioggia" è composta da materia familiare come protoni ed elettroni, ma i fisici sospettano da tempo che possa esserci anche un tipo di particella molto rara, molto pesante e molto strana che piova su di noi: il monopolo magnetico. Pensate a un magnete normale come a una coppia di gemelli inseparabili; se tagliate un magnete a metà, non otterrete un pezzo con solo polo Nord e un pezzo con solo polo Sud. Otterrete semplicemente due magneti più piccoli, ognuno con un polo Nord e un polo Sud. Un monopolo magnetico, invece, sarebbe l'ultimo ribelle: una singola particella che è solo un polo Nord o solo un polo Sud.

Per decenni, gli scienziati hanno dato la caccia a questi solitari magnetici. Sono previsti da alcune delle nostre più grandi teorie sul funzionamento dell'universo, ma nonostante abbiano cercato ovunque, dalle miniere profonde sottoterra alle cime delle montagne, nessuno ne ha mai trovato uno convincente. La grande domanda è: esistono? Se esistono, quanto sono pesanti e quanto velocemente si muovono? Trovarne uno sarebbe come scoprire un nuovo colore o una nuova legge della fisica; riscriverebbe la nostra comprensione del cosmo. Ma se fossero troppo pesanti o troppo lenti, potrebbero essere fermati dall'atmosfera terrestre prima ancora di raggiungere i nostri rilevatori, rendendoli incredibilmente difficili da catturare.

La grande scansione dei monopoli

In questo articolo, un massiccio team di scienziati noto come Collaborazione NOvA ha deciso di provare un approccio diverso. Invece di nascondersi nel profondo sottosuolo dove sono al sicuro dalla "pioggia" rumorosa dei raggi cosmici, hanno guardato un enorme rilevatore situato proprio sulla superficie della Terra ad Ash River, Minnesota. Questo rilevatore, chiamato Rilevatore Lontano NOvA, è una scatola da 14.000 tonnellate piena di migliaia di tubi di plastica carichi di un liquido speciale che brilla quando le particelle lo attraversano. Era stato costruito originariamente per studiare i neutrini (particelle fantasma che passano attraverso ogni cosa), ma il team ha capito che poteva anche essere una trappola perfetta per monopoli magnetici a movimento lento.

Gli scienziati hanno trattato il rilevatore come una gigantesca macchina fotografica ad alta velocità in attesa di scattare una foto a un fantasma che si muove lentamente. Sapevano che se un pesante monopolo magnetico fosse passato attraverso il rilevatore, non si sarebbe mosso come un proiettile veloce. Inve al contrario, si sarebbe mosso molto lentamente — così lentamente che avrebbe impiegato molto tempo per attraversare la stanza. Poiché è così pesante e carico, lascerebbe una traccia luminosa, dritta e molto specifica mentre passa attraverso il liquido, a differenza delle tracce disordinate e caotiche lasciate dai miliardi di raggi cosmici regolari che bombardano costantemente la superficie.

Per trovare questi fantasmi lenti, il team ha sviluppato un sistema di "trigger" molto intelligente. Immaginate di cercare di individuare una tartaruga lenta che attraversa una strada trafficata ignorando miglia di auto che sfrecciano. Il sistema informatico di NOvA cercava coppie di segnali luminosi che avvenivano molto vicini tra loro nel tempo e nello spazio, formando una linea retta. Se i segnali erano troppo veloci, si trattava di un comune raggio cosmico. Ma se i segnali erano spaziati nel modo giusto per suggerire una marcia lenta e costante, il computer salvava i dati per un esame più approfondito. Hanno eseguito questa ricerca per un tempo enorme — 2.743 giorni, ovvero circa 7,5 anni — analizzando miliardi di eventi.

Il verdetto: Nessun fantasma trovato, ma una nuova mappa tracciata

Dopo aver setacciato tutti quei dati, il risultato è stato chiaro: non sono stati trovati monopoli magnetici. Nessun evento corrispondeva alla descrizione di un monopolo a movimento lento. Anche se questo può sembrare una delusione, nella scienza un "risultato nullo" è in realtà una grande vittoria perché ci dice dove non guardare.

Il team ha utilizzato questa mancanza di avvistamenti per stabilire una regola molto severa: se i monopoli esistono, devono essere più rari di un numero specifico. Hanno calcolato che il flusso di queste particelle attraverso il cielo è inferiore a 8 × 10⁻¹⁶ cm⁻²s⁻¹sr⁻¹ per monopoli che si muovono a velocità comprese tra 6 × 10⁻⁴ e 5 × 10⁻³ della velocità della luce, a condizione che siano più pesanti di 10⁹ GeV. Per dare un termine di paragone, questo è un numero incredibilmente piccolo, il che significa che se queste particelle esistono, sono così rare che potresti dover aspettare molto tempo per vederne anche solo una.

Ciò che rende questa scoperta speciale è il territorio a "bassa massa" che hanno esplorato. I precedenti esperimenti sotterranei erano ottimi per trovare monopoli super-pesanti e super-lenti, ma erano troppo profondi per catturare quelli più leggeri che potrebbero essere fermati dall'atmosfera terrestre. Poiché il rilevatore NOvA si trova in superficie, poteva individuare questi candidati più leggeri e leggermente più veloci (ma comunque molto lenti) che altri rilevatori avevano mancato. Hanno effettivamente disegnato un nuovo confine sulla mappa dell'universo, dicendo: "Siamo sicuri al 90% che i monopoli in questo specifico intervallo di velocità e peso non esistano nelle quantità che speravamo".

Il documento spiega anche che hanno simulato milioni di falsi eventi di monopoli per assicurarsi che il loro rilevatore li avrebbe visti se fossero stati lì. Hanno scoperto che il loro sistema era efficiente circa all'81% nel catturare queste tracce lente. Poiché hanno visto zero candidati reali, possono affermare con fiducia che l'universo è molto più vuoto di questi specifici tipi di solitari magnetici di quanto alcune teorie sperassero. La ricerca continua, e il rilevatore NOvA continua a osservare il cielo, pronto a catturare il prossimo fantasma se decidesse di presentarsi.