Gli scienziati hanno compreso moltissimo sull’universo, eppure questa conoscenza rappresenta solo una piccola frazione del quadro completo. Circa il 95% del cosmo è costituito da materia oscura ed energia oscura, mentre solo il 5% è formato dalla materia ordinaria che possiamo osservare. Il fisico sperimentale delle particelle Rupak Mahapatra, della Texas A&M University, lavora per portare alla luce questa maggioranza invisibile progettando rivelatori a semiconduttore avanzati dotati di sensori quantistici criogenici. Queste tecnologie sostengono esperimenti in tutto il mondo e stanno aiutando i ricercatori a spingersi più a fondo in uno dei più grandi misteri della scienza: la materia oscura sensori quantistici.
Mahapatra paragona la comprensione limitata dell’umanità sull’universo, o la sua assenza, a una celebre parabola. “È come cercare di descrivere un elefante toccandone solo la coda. Percepiamo qualcosa di enorme e complesso, ma stiamo afferrando solo una minuscola parte.” Lui e i suoi coautori hanno recentemente visto il loro lavoro pubblicato sulla rivista scientifica Applied Physics Letters (rif.), segno della rilevanza di queste ricerche nel campo della materia oscura e dei sensori quantistici.
Cosa sono materia oscura ed energia oscura?
Materia oscura ed energia oscura prendono il nome proprio da ciò che gli scienziati ancora non conoscono di esse. La materia oscura costituisce la maggior parte della massa presente in galassie e ammassi galattici, giocando un ruolo cruciale nel modellarne la struttura su distanze cosmiche enormi. L’energia oscura, invece, è la forza responsabile dell’espansione accelerata dell’universo. In termini semplici, la materia oscura agisce come una colla cosmica, mentre l’energia oscura spinge lo spazio a espandersi sempre più rapidamente.
Nonostante siano abbondantissime, né la materia oscura né l’energia oscura emettono, assorbono o riflettono luce, rendendo l’osservazione diretta estremamente difficile. Gli scienziati ne studiano quindi gli effetti gravitazionali, che influenzano il movimento delle galassie e la formazione delle strutture su larga scala. L’energia oscura rappresenta circa il 68% dell’energia totale dell’universo, mentre la materia oscura contribuisce per circa il 27%. Comprendere questo bilancio è centrale per la ricerca sulla materia oscura sensori quantistici, che mira a trasformare indizi gravitazionali in segnali misurabili.
Presso la Texas A&M University, il gruppo di ricerca di Mahapatra sviluppa rivelatori di sensibilità straordinaria. Questi strumenti sono progettati per individuare particelle che interagiscono con la materia ordinaria solo in rarissime occasioni eventi che potrebbero fornire indizi decisivi sulla natura della materia oscura.
Come spiega il ricercatore: “La sfida è che la materia oscura interagisce così debolmente che abbiamo bisogno di rivelatori capaci di vedere eventi che potrebbero verificarsi una volta all’anno, o persino una volta in un decennio.” Il suo team ha contribuito a una delle principali ricerche globali sulla materia oscura utilizzando il rivelatore TESSERACT. “Si tratta di innovazione” afferma. “Stiamo trovando modi per amplificare segnali che prima erano sepolti nel rumore”. L’università texana è tra il ristretto gruppo di istituzioni coinvolte negli esperimenti TESSERACT, un banco di prova cruciale per la tecnologia materia oscura sensori quantistici.
Spingere i limiti della rivelazione
Gli sforzi attuali di Mahapatra si basano su decenni di esperienza nello sviluppo di metodi avanzati di rivelazione delle particelle. Da oltre 25 anni contribuisce all’esperimento SuperCDMS, che ha condotto alcune delle ricerche sulla materia oscura più sensibili al mondo. In uno storico articolo del 2014 pubblicato su Physical Review Letters, Mahapatra e i suoi collaboratori hanno introdotto la rivelazione calorimetrica a ionizzazione assistita da tensione nell’esperimento SuperCDMS — un progresso che ha reso possibile studiare WIMP a bassa massa, tra i candidati principali per la materia oscura. Questo avanzamento ha migliorato in modo significativo la capacità di individuare particelle prima irraggiungibili.
Nel 2022, Mahapatra ha cofirmato un altro studio che esaminava approcci multipli alla ricerca delle WIMP, inclusa la rivelazione diretta, quella indiretta e le ricerche con acceleratori. Il lavoro evidenzia quanto sia fondamentale combinare strategie diverse per affrontare il problema della materia oscura. Come sottolinea lo scienziato: “Nessun singolo esperimento ci darà tutte le risposte”. E aggiunge: “Abbiamo bisogno di sinergia tra metodi diversi per ricostruire il quadro completo”.
Comprendere la materia oscura va ben oltre la curiosità accademica. Potrebbe rivelare principi fondamentali che governano l’universo stesso. “Se riusciremo a rilevare la materia oscura, apriremo un nuovo capitolo della fisica”, afferma Mahapatra. “La ricerca richiede tecnologie di rilevamento estremamente sensibili e potrebbe portare a tecnologie che oggi non possiamo nemmeno immaginare”. È qui che il paradigma materia oscura sensori quantistici mostra tutto il suo potenziale trasformativo.
Cosa sono le WIMP?
Le WIMP (particelle massicce debolmente interagenti) sono considerate una delle ipotesi più promettenti per spiegare la materia oscura. Queste particelle ipotetiche interagirebbero tramite gravità e forza nucleare debole, motivo per cui risultano estremamente difficili da rilevare. Se le WIMP esistono, potrebbero spiegare la massa mancante dell’universo.
Al momento le stiamo cercando attraversi esperimenti come SuperCDMS e TESSERACT che utilizzano rivelatori ultrasensibili raffreddati quasi allo zero assoluto per catturare rare interazioni tra WIMP e materia ordinaria. La sfida più grande è rappresentata dal fatto che una WIMP potrebbe attraversare la Terra senza lasciare alcun segnale, costringendo i ricercatori a raccogliere dati per anni prima di identificare anche un solo evento. In questo contesto, la strategia materia oscura sensori quantistici rappresenta una delle frontiere più promettenti della fisica moderna: ascoltare segnali quasi impercettibili per comprendere la parte nascosta dell’universo quella che, pur invisibile, ne domina l’evoluzione.
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