Materia oscura: il mistero che gli scienziati stanno cercando

Questo è LUX-ZEPLIN (LZ), un laboratorio all’avanguardia situato a 1,5 miglia sottoterra in una miniera d’oro abbandonata a Leed, South Dakota, USA.

L’idea alla base del sito sotterraneo è isolare il più possibile il sito dalle radiazioni e dalla polvere che potrebbero causare inquinamento che potrebbe ostacolare la ricerca della materia oscura.

Secondo i suoi creatori, l’LZ è il rilevatore di materia oscura più sensibile di tutti.

Per fare questo, hanno reso l’interno della zona di atterraggio “il luogo più puro del pianeta”.

“Il centro del rivelatore è come la mente di un monaco buddista”, ha detto alla BBC Mundu Chamkur Jag, ricercatore LZ e professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’University College di Londra, Regno Unito.

Il rivelatore è progettato per captare anche il debole segnale di una particella di materia oscura.

È come “ascoltare attentamente nel mezzo di un campo silenzioso”, affermano i creatori di LZ sul loro sito web.

Come funziona LZ, come cerca la materia oscura e cosa succede se la trova?

Ora sappiamo solo di cosa è fatto il 5% dell’universo. Questo 5% è materiale normale, quello che possiamo vedere o toccare.

Le particelle che compongono la materia ordinaria sono descritte nel Modello Standard.

Il restante 95% del materiale è un mistero.

I fisici e gli astronomi ritengono che di questa percentuale, il 70% sia energia oscura e il 25% sia materia oscura.

L’energia oscura è una specie di forza repulsiva che sta accelerando l’espansione dell’universo.

D’altra parte, la materia oscura è una “cosa” invisibile che funge da magnete che tiene insieme le galassie.

Le osservazioni astronomiche hanno mostrato che le galassie ruotano molto più velocemente di quanto ci si aspetterebbe dalla loro massa visibile.

I calcoli indicano che la gravità corrispondente a questa massa non è sufficiente per tenere insieme le galassie. Quindi ci deve essere “qualcosa” che aggiunge massa, e quindi la gravità extra, e impedisce che si precipiti nello spazio.

Questa “cosa” che spiega la gravità extra è materia oscura.

Si dice che sia scuro perché non emette, riflette o assorbe la luce, il che lo rende molto difficile da notare.

Per questo, fino ad oggi, l’unico segno che gli scienziati hanno della sua esistenza è l’effetto gravitazionale che la materia oscura esercita sulla materia ordinaria, come le stelle e le galassie, per esempio.

Quindi non sappiamo cosa sia la materia oscura, ma senza di essa l’universo sarebbe molto diverso da quello che conosciamo.

Diverse idee sono state avanzate per decenni per spiegare cos’è la materia oscura, ma non esiste ancora una risposta convincente.

Una possibilità è che sia costituito da “particelle supersimmetriche”, cioè particelle virtuali associate a quelle che costituiscono la materia ordinaria.

C’è un altro candidato per spiegare cos’è la materia oscura.

Questi sono WIMP, un’ipotetica particella che LZ spera di scoprire.

Secondo la NASA, i WIMP sono i principali candidati per spiegare la materia oscura.

WIMP è l’acronimo di Weakly Interacting Massive Particle.

Si ritiene che i WIMP si siano formati naturalmente dopo il Big Bang e che ce ne siano stati così tanti da poter fornire una spiegazione per la materia oscura.

Si dice che questi WIMP abbiano la capacità di penetrare nell’universo e persino di passare attraverso la materia ordinaria, ma in rare occasioni uno di loro può entrare in collisione con il nucleo di un atomo.

LZ sta cercando quel momento esatto…

Il principio su cui opera LZ è semplice.

È un serbatoio in titanio, riempito con 10 tonnellate di xeno liquido ad alta purezza.

I ricercatori hanno scelto lo xeno perché è un gas nobile che può raggiungere livelli di purificazione molto elevati in modo da poter rimuovere la maggior parte delle sostanze inquinanti.

L’esperimento consiste nell’osservare le particelle che viaggiano attraverso l’universo fino a raggiungere il centro della nave.

Con un po’ di fortuna, una di queste particelle entrerà in collisione con il nucleo di uno degli atomi di xeno, come due palle da biliardo.

Quando si verifica questa collisione, viene generato un flusso di luce che viene rilevato dai sensori LZ.

Dopo la collisione, si tratta di analizzare le proprietà della luce generata e, da questa analisi, dedurre il tipo di particella che ha colpito l’atomo di xeno.

Con la pazienza di un monaco buddista, i ricercatori di LZ sperano che a un certo punto WIMP entrerà nella nave e si scontrerà con un nucleo di atomo di xeno.

LZ ha iniziato il suo lavoro ad aprile e nei suoi primi risultati pubblicati all’inizio di luglio non ha ancora rilevato tracce di materia oscura.

Una delle grandi sfide alla LZ è impedire che particelle indesiderate entrino nel serbatoio per contaminare, confondere o mascherare il WIMP che arriva improvvisamente.

L’obiettivo è ripulire l’intera scena quando WIMP, se presente, decide di apparire.

Pertanto, è necessario che l’area di atterraggio sia interrata.

I raggi cosmici bombardano costantemente l’atmosfera del pianeta, producendo particelle che possono entrare in collisione con un rivelatore come l’LZ e generare segnali indesiderati.

Essere a 1,5 chilometri sottoterra impedisce a molte di queste particelle di raggiungere il serbatoio. Alcuni potrebbero arrivare al carro armato, ma le probabilità sono 10 milioni di volte inferiori.

La scoperta della materia oscura ci aiuterà a risolvere il problema della massa mancante.

“E’ equivalente a capire di cosa è fatto circa il 30% dell’universo.

Gag afferma anche che “capire o rilevare la materia oscura sarà la prima finestra per guardare oltre il Modello Standard, che attualmente è una stanza chiusa”.

Il Modello Standard è di gran lunga la migliore spiegazione delle particelle e delle forze che compongono la materia ordinaria.

Tuttavia, questo modello spiega solo di cosa è fatto circa il 5% dell’universo.

Un’altra domanda che sorge è se, scoprendo la materia oscura, possiamo sfruttarla come fonte di energia.

A questo proposito, i creatori di LZ affermano che “è improbabile che saremo in grado di sfruttare il potere della materia oscura per secoli”.

“Non è chiaro esattamente quanti benefici trarranno le generazioni future dall’estrazione di materia oscura, anche se queste cose tendono ad essere notevolmente inaspettate.

Ma oltre al compito principale della LZ, il laboratorio stesso è una svolta della scienza e della tecnologia.

Le tecniche di analisi dei fasci e dei sensori potrebbero portare a innovazioni nell’industria alimentare farmaceutica e il sistema di algoritmi potrebbe essere utilizzato in settori come la medicina nucleare.

“Forse il più grande vantaggio per l’umanità è la conoscenza stessa”, affermano i creatori di LZ.

“Siamo strani esseri, sembra che siamo programmati per sapere come funziona il mondo intorno a noi.”