The PICO-40L detector

Da decenni, gli astronomi sanno che l'universo è pieno di qualcosa di invisibile. Non possiamo vederlo e non emette luce, eppure la sua gravità tiene insieme le galassie e modella il cosmo. Questa sostanza invisibile è chiamata materia oscura. Sebbene sappiamo che esiste, non sappiamo di cosa sia fatta. Una delle teorie principali suggerisce che sia composta da particelle massicce che interagiscono raramente con la materia normale, note come Particelle Massicce Debolmente Interagenti, o WIMP. Se queste particelle esistono, dovrebbero occasionalmente urtare i nuclei degli atomi in un rilevatore sulla Terra, creando un minuscolo lampo di energia. La sfida è che queste collisioni sono incredibilmente rare e producono segnali così deboli da essere facilmente oscurati dal rumore di fondo naturale, come la radiazione proveniente dalle rocce o dai raggi cosmici. Per trovarle, gli scienziati devono costruire rilevatori nel profondo del sottosuolo, protetti da chilometri di roccia, e utilizzare materiali così puri da non emettere la propria radiazione.

Un team di ricercatori noto come la Collaborazione PICO ha costruito un nuovo rilevatore per dare la caccia a queste particelle elusive, e ha pubblicato un rapporto dettagliato sul suo design e sulle prime prestazioni. Il rilevatore, chiamato PICO-40L, è una grande camera a bolle situata a due chilometri di profondità in una miniera a Sudbury, in Canada. A differenza dei rilevatori tradizionali che utilizzano cristalli solidi o serbatoi liquidi, questa macchina utilizza un liquido speciale chiamato ottafluoropropano, che viene mantenuto in uno stato in cui è pronto a bollire ma è trattenuto dalla pressione. Quando una particella colpisce un atomo in questo liquido, deposita una minuscola quantità di energia, causando la formazione istantanea di una piccola bolla. La macchina è progettata per essere così sensibile da poter rilevare il minuscolo deposito di energia di una collisione di materia oscura, ignorando al contempo i depositi di energia molto più grandi di altri tipi di radiazione che non creano bolle.

Il rilevatore PICO-40L rappresenta un'evoluzione significativa nel modo in cui vengono costruite queste camere a bolle. Le versioni precedenti dell'esperimento utilizzavano un design in cui il liquido bersaglio si trovava sopra un fluido tampone, separato da un singolo contenitore. Questa configurazione precedente creava un confine tra due liquidi diversi, il che poteva talvolta generare segnali falsi. Il nuovo PICO-40L utilizza una disposizione completamente diversa, che il team chiama design "Right-Side-Up" (capovolto correttamente). In questa configurazione, il liquido bersaglio è contenuto all'interno di un recipiente di vetro a doppia parete che si trova sul fondo della camera, con il sistema di pressione situato sotto di esso anziché sopra. Questo cambiamento elimina l'interfaccia tra due fluidi e sposta le parti meccaniche che potrebbero creare rumore in una zona fredda e inattiva. Il risultato è un ambiente più pulito dove il rilevatore è meno propenso a essere ingannato dal rumore di fondo.

Per mantenere il corretto funzionamento del rilevatore, il team ha dovuto risolvere un difficile problema termico. Il liquido all'interno della camera deve essere mantenuto a due temperature diverse contemporaneamente. Il volume principale dove avviene la ricerca della materia oscura deve essere mantenuto abbastanza caldo da essere pronto a formare bolle, tipicamente intorno ai tredici gradi Celsius. Tuttavia, la parte inferiore del recipiente, dove si trovano i tubi e le guarnizioni meccaniche, deve essere mantenuta molto più fredda, circa a meno ventidue gradi Celsius. Se la parte inferiore si scalda troppo, il liquido lì presente potrebbe iniziare a bollire da solo, creando bolle che sembrano segnali di materia oscura ma che sono in realtà solo rumore termico. I ricercatori hanno costruito un complesso sistema di serpentine di raffreddamento e piastre riscaldanti per mantenere queste due distinte zone di temperatura, assicurando che le bolle si formino solo nell'area attiva dove le telecamere possono vederle.

Il rilevatore è dotato di un sofisticato sistema per monitorare le bolle. Quattro telecamere ad alta velocità sono montate attorno alla camera, scattando foto del liquido da diverse angolazioni. Quando si forma una bolla, le telecamere ne catturano la crescita, permettendo agli scienziati di calcolare esattamente dove è avvenuta e quanto è diventata grande. Insieme alle telecamere, la macchina utilizza dodici minuscoli microfoni, noti come trasduttori piezoelettrici, premuti contro l'esterno del recipiente di vetro. Questi microfoni ascoltano il suono della formazione della bolla. Diversi tipi di particelle creano suoni differenti; ad esempio, le particelle alfa, che sono una fonte comune di rumore di fondo, producono una firma acustica distinta rispetto al "pop" silenzioso di un candidato materia oscura. Combinando i dati visivi delle telecamere con i dati acustici dei microfoni, il team può distinguere tra un segnale reale e un falso allarme.

I ricercatori hanno testato il rilevatore con due sessioni principali. Prima, hanno eseguito un test di calibrazione utilizzando una sorgente di neutroni per simulare il tipo di collisioni che sperano di trovare. Successivamente, hanno condotto un lungo periodo di messa in servizio senza alcuna sorgente esterna, aspettando semplicemente di vedere cosa accadesse naturalmente. Durante questi test, il rilevatore ha operato stabilmente, distinguendo con successo tra singole bolle nel liquido ed eventi indesiderati come la formazione di bolle sulle pareti del recipiente o la formazione di più bolle contemporaneamente. Il team ha scoperto che il nuovo design ha efficacemente soppresso il rumore di fondo che aveva afflitto le versioni precedenti. Hanno calcolato che il rilevatore dovrebbe vedere pochissimi segnali falsi provenienti dalla radioattività naturale o dai raggi cosmici, con il principale rumore residuo previsto derivante da una rara interazione che coinvolge i neutrini, particelle subatomiche che sono quasi impossibili da schermare.

Sebbene il rilevatore non abbia ancora trovato una particella di materia oscura, l'articolo conferma che il nuovo design funziona come previsto. Il PICO-40L ha dimostrato con successo che la geometria "Right-Side-Up" può operare in modo affidabile, mantenendo il fluido bersaglio surriscaldato al centro pur mantenendo l'impianto idraulico freddo e silenzioso. Questo successo apre la strada alla prossima generazione dell'esperimento, un rilevatore molto più grande chiamato PICO-500, che è attualmente in fase di costruzione. Dimostrando che questo nuovo design può gestire la sensibilità estrema richiesta per la caccia alla materia oscura, la Collaborazione PICO ha superato un importante ostacolo nella ricerca della sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della materia nel nostro universo.