Uno dei grandi misteri della scienza potrebbe essere risolto grazie ad avanzate tecnologie quantistiche.
La materia oscura non emette luce e quindi non può essere vista direttamente. Sappiamo che esiste perché ha una forte influenza gravitazionale su stelle e galassie.
Osservando una galassia con un telescopio si vedono molte stelle orbitare attorno al centro. Se la massa fosse composta solo dalla materia visibile (stelle e gas), le stelle più lontane si muoverebbero più lentamente rispetto a quelle vicine per effetto della gravità. Invece il moto è più rapido e questo suggerisce che ci sia più massa di quella che possiamo vedere, ma finora non si è riusciti a individuarla.
Gli scienziati della Lancaster University, dell’Università di Oxford e della Royal Holloway, Università di Londra, stanno costruendo i rilevatori di materia oscura più sensibili mai realizzati.
Tra i ricercatori figurano il dott. Michael Thompson, il professor Edward Laird, il dott. Dmitry Zmeev e il dott. Samuli Autti di Lancaster, la professoressa Jocelyn Monroe di Oxford e il professor Andrew Casey della RHUL.
Il Dott. Autti, membro dell’EPSRC, ha spiegato come in laboratorio si stiano impiegando tecnologie quantistiche a temperature ultra-basse.
Esistono prove indirette della densità tipica della materia oscura nella galassia, ma la massa delle particelle costituenti e le loro ipotetiche interazioni con gli atomi ordinari sono sconosciute.
La teoria della fisica delle particelle suggerisce due possibilità: nuove particelle con interazioni così deboli da non essere ancora osservate e particelle ipotetiche, chiamate assioni. Il team sta costruendo due esperimenti alla ricerca di entrambi.
Nel primo caso si pensa di sfruttare le collisioni delle particelle ultra-deboli con la materia ordinaria, ma molto dipende dalla massa.
Finora gli strumenti sarebbero in grado di rilevare entità che pesano tra cinque e 1.000 volte più di un atomo d’idrogeno, ma si potrebbero perdere candidati molto più leggeri.
Il team Quantum Enhanced Superfluid Technologies for Dark Matter and Cosmology (QUEST-DMC) mira ad ottenere il record mondiale nella sensibilità alle collisioni con massa compresa tra 0,01 e pochi atomi d’idrogeno.
Per raggiungere questo obiettivo, il rilevatore è costituito da elio-3 superfluido, raffreddato in uno stato quantico macroscopico e dotato di amplificatori quantistici superconduttori.
Gli assioni invece sarebbero più di un miliardo di volte più leggeri di un atomo d’idrogeno, di conseguenza più abbondanti.
I ricercatori non possono rilevare le collisioni con gli assioni, ma possono cercare un’altra firma: un segnale elettrico che si verifica quando gli assioni decadono in un campo magnetico.
Questo effetto può essere misurato con un amplificatore estremamente sensibile (in fase di sviluppo ad opera del team Quantum Sensors for the Hidden Sector QSHS) che funzioni alla massima precisione consentita dalla meccanica quantistica.
I metodi saranno esposti nella mostra intitolata “Una visione quantistica dell’universo invisibile” alla Summer Science Exhibition della Royal Society, fino a domenica 7 luglio 2024, a Londra.
Per dimostrare come si deduce la materia oscura, ci sarà un giroscopio in una scatola che si muove in modi sorprendenti a causa del momento angolare invisibile. Ci saranno anche biglie di vetro trasparenti nel liquido per dimostrare come esperimenti intelligenti esplorino fenomeni sfuggenti all’apparenza.
Un frigorifero a diluizione luminosa farà vedere come arrivare a temperature bassissime, mentre un modello di rilevatore di collisioni simula come si comporterebbe il nostro universo se la materia oscura agisse come la materia normale.
I visitatori possono cercare la materia oscura con un modello di rilevatore di assioni scansionando la frequenza di un ricevitore radio e creare il proprio amplificatore parametrico utilizzando un pendolo. Una maniera per invitare a giocare con la scienza, imparando a sperimentare.
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Immagini: Università di Lancaster – ShowTechies script di AI
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