Sondare la materia oscura con la tecnologia quantistica: alla ricerca del più grande mistero spaziale
Utilizzando le tecnologie quantistiche più avanzate, un gruppo di ricercatori delle università di Lancaster, Oxford e Royal Holloway, University of London, sta sviluppando rivelatori di materia oscura estremamente sensibili. Questi strumenti mirano a osservare direttamente e identificare la materia oscura, che rappresenta circa l’80% della materia dell’universo. La materia oscura è invisibile e attraversa continuamente ogni cosa, inclusi noi stessi, con un flusso costante di particelle.
Il team di ricerca, composto da esperti come il Dr. Michael Thompson, il Prof. Edward Laird e altri, ha presentato il loro lavoro in una mostra pubblica intitolata “Una visione quantistica dell’universo invisibile” durante l’esposizione estiva della Royal Society. Il Dr. Autti, membro del EPSRC, ha sottolineato l’uso delle tecnologie quantistiche a temperature ultrabasse per costruire i rivelatori più sensibili mai realizzati fino ad oggi, con l’obiettivo di osservare direttamente questa enigmatica sostanza in laboratorio.
L’esperimento si svolge in un refrigeratore speciale che raggiunge temperature vicine allo zero assoluto, circa un decimillesimo di grado sopra. Dal punto di vista teorico, la fisica delle particelle suggerisce due principali candidati per la materia oscura: nuove particelle con interazioni così deboli che non sono ancora state osservate, e particelle ondulatorie leggere chiamate axioni . Il team sta costruendo due esperimenti distinti per cercare ciascuno di questi candidati.
Per quanto riguarda le nuove particelle, queste potrebbero essere rilevate attraverso le loro collisioni con la materia ordinaria, a condizione che la massa della materia oscura ricercata sia adeguata. La maggior parte delle ricerche finora condotte potrebbe rilevare particelle di materia oscura con masse comprese tra cinque e mille volte quella dell’atomo di idrogeno, ma è possibile che candidati molto più leggeri siano sfuggiti alla rilevazione.
Il team QUEST-DMC mira a raggiungere una sensibilità di livello mondiale per le collisioni con candidati di materia oscura con masse comprese tra 0,01 e pochi atomi di idrogeno. Per raggiungere questo obiettivo, il rivelatore è costituito da elio-3 superfluido, raffreddato in uno stato quantico macroscopico, e strumentato con amplificatori quantistici superconduttori. La combinazione di queste due tecnologie quantistiche consente di misurare segnali estremamente deboli derivanti dalle collisioni della materia oscura.
In alternativa, se la materia oscura fosse composta da axioni, questi sarebbero estremamente leggeri, più di un miliardo di volte più leggeri di un atomo di idrogeno, ma corrispondentemente più abbondanti. In questo caso, non si potrebbero rilevare collisioni, ma si potrebbe cercare un’altra firma: un segnale elettrico risultante dal decadimento degli axioni in un campo magnetico. Questo effetto può essere misurato solo utilizzando un amplificatore estremamente sensibile, che opera con la massima precisione permessa dalla meccanica quantistica. Il team QSHS sta quindi sviluppando una nuova classe di amplificatori quantistici ideali per la ricerca del segnale degli axioni.