Nel regno della ricerca sulla materia oscura, come in un negozio di porcellane, c'è un elefante: un'affermazione difficile da credere, impossibile da confermare e sorprendentemente difficile da spiegare. Ma ora abbiamo quattro strumenti con lo stesso tipo di rivelatore della collaborazione proprietaria di questa controversa affermazione. Nel corso dei prossimi tre anni, questi esperimenti confermeranno l'esistenza della materia oscura o smentiranno l'affermazione una volta per tutte, dicono i fisici che ci lavorano.
"Andrà tutto bene", dice Frank Kalaprice della Princeton University nel New Jersey, che sta conducendo uno degli esperimenti.
L'annuncio iniziale è stato dato dalla collaborazione DAMA, il cui rilevatore si trova in un laboratorio sotto la catena montuosa del Gran Sasso a est di Roma. Oltre un decennio fa, ha fornito prove sorprendenti per la materia oscura, una sostanza invisibile che si crede leghi le galassie grazie alla sua attrazione gravitazionale. Il primo dei nuovi rilevatori inizierà a funzionare in Corea del Sud tra poche settimane. Il resto sarà lanciato nei prossimi anni in Spagna, Australia e Gran Sasso. Tutti loro useranno cristalli di ioduro di sodio per cercare la materia oscura, cosa che nessun esperimento su larga scala ha fatto, tranne DAMA.
Gli scienziati sono molto fiduciosi nell'esistenza della materia oscura e che sia almeno cinque volte più grande della materia normale. Ma la sua natura rimane misteriosa. L'ipotesi principale è che almeno una parte della sua massa sia costituita da particelle con interazione debole (WIMP) che devono occasionalmente entrare in collisione con i nuclei atomici sulla Terra.
I cristalli di ioduro di sodio dovrebbero emettere un lampo di luce se questo accade nel rivelatore. Mentre la radioattività naturale produce anche tali razzi, DAMA ha annunciato la scoperta di WIMP nel 1998, citando il fatto che il numero di razzi prodotti al giorno variava con le stagioni.
Questo è ciò che ci si aspetterebbe se il segnale fosse generato da WIMP che si riversano sulla Terra mentre il sistema solare si muove attraverso l'alone di materia oscura della Via Lattea. In questo caso, il numero di particelle che attraversano la Terra dovrebbe raggiungere il picco quando il movimento orbitale del pianeta si allinea con il movimento del Sole, all'inizio di giugno, e diminuire quando il movimento va contro il Sole, all'inizio di dicembre.
Ma c'è un grosso problema. "Se fosse davvero materia oscura, molti altri esperimenti l'avrebbero già vista", dice Thomas Schwetz-Mangold, fisico teorico presso l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe in Germania - e nessuno l'ha ancora visto. Ma allo stesso tempo, tutti i tentativi di trovare punti deboli nell'esperimento DAMA, compresi gli effetti ambientali, che gli scienziati non hanno preso in considerazione, non hanno avuto successo. "C'è un segnale di modulazione", dice Kaijuan Ni dell'Università della California, San Diego, che sta lavorando all'esperimento sulla materia oscura XENON1T. "Ma come interpretare questo segnale - a favore della materia oscura o qualcos'altro - non è chiaro."
Nessun altro esperimento su vasta scala ha utilizzato lo ioduro di sodio nel suo rilevatore, sebbene KIMS in Corea del Sud abbia utilizzato ioduro di cesio. Pertanto, rimane la possibilità che la materia oscura interagisca con il sodio in modo diverso rispetto ad altri elementi. "Fino a quando qualcuno non spara un rilevatore sullo stesso elemento che ha lasciato il suggerimento, non puoi essere sicuro di nulla", dice Juan Collar dell'Università di Chicago in Illinois, che ha lavorato a diversi esperimenti sulla materia oscura.
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Molti hanno affrontato la difficoltà di far crescere cristalli di ioduro di sodio con la purezza richiesta. Spicca anche la contaminazione da potassio, che ha un isotopo radioattivo naturale.
Ma tre team di scienziati - KIMS, DM-Ice della Yale University di New Haven e ANAIS dell'Università di Saragozza in Spagna - sono riusciti a ottenere cristalli con un livello di radioattività di fondo pari alla metà di quello del DAMA. È abbastanza pulito per testare i suoi risultati, dicono gli scienziati.
Scienziati di KIMS e DM-Ice hanno costruito un rilevatore di ioduro di sodio in collaborazione con il laboratorio sotterraneo di Yangyang, 160 chilometri a est di Seoul. Lo strumento utilizza un sensore di "veto attivo" che distinguerà meglio la materia oscura dal rumore di fondo rispetto al DAMA, afferma Yengduk Kim, direttore del Centro di fisica sotterranea della Corea del Sud a Daejeon, che gestisce KIMS.
ANAIS sta costruendo un rilevatore simile presso il laboratorio sotterraneo di Canfranc nei Pirenei spagnoli. Insieme, KIMS, DM-Ice e ANAIS trasporteranno oltre 200 chilogrammi di ioduro di sodio e scambieranno dati. Rispetto ai 250 chilogrammi di DAMA, gli scienziati si aspettano di catturare un numero simile di WIMP. E mentre i nuovi rilevatori avranno livelli più elevati di rumore di fondo, possono simulare o riprodurre il segnale DAMA più forte, afferma Reina Maruyama della Yale University, che gestisce DM-Ice.
Ma Kalapris sostiene che l'elevata purezza è più importante della massa. Insieme ai colleghi, ha sviluppato un modo per ridurre l'inquinamento e in gennaio ha annunciato la ricezione di cristalli più puliti dei cristalli DAMA. Spera di ridurre ulteriormente il livello di fondo, fino a un decimo del DAMA.
Il suo progetto SABRE (Active Background Rejection Sodium Iodide) ospiterà un rilevatore nel Gran Sasso e un altro nello Stowell Underground Physics Laboratory, che è in costruzione in una miniera d'oro a Victoria, in Australia. SABRE utilizzerà un rilevatore che separa il segnale della materia oscura dal rumore e peserà circa 50 chilogrammi.
SABRE completerà la sua ricerca e sviluppo in circa un anno e inizierà a costruire i suoi rilevatori poco dopo, afferma Kalapris. Quindi la tecnologia sarà disponibile per altri laboratori, cosa che DAMA non ha fatto. E se hai due rilevatori identici nell'emisfero settentrionale e meridionale, puoi capire se gli effetti ambientali potrebbero falsificare la stagionalità della materia oscura nei risultati DAMA: se il segnale proviene da WIMP, entrambi i rivelatori vedranno picchi contemporaneamente.
DAMA è molto fiduciosa nei suoi risultati, afferma Rita Bernabei dell'Università di Roma. Non è particolarmente entusiasta del prossimo lancio di rilevatori di ioduro di sodio. "I nostri risultati sono stati convalidati molte volte in 14 anni, quindi non abbiamo motivo di guardare avanti per vedere cosa faranno gli altri", dice. Se altri esperimenti non vedranno le modulazioni annuali, la collaborazione deciderà semplicemente che non erano abbastanza sensibili.
Ma cosa succede se gli scienziati del DAMA hanno ragione? "All'inizio non volevo credere ai risultati del DAMA, non li ho nemmeno presi sul serio", afferma Katherine Freese, teorica delle astroparticelle presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor, che ha proposto il metodo di modulazione stagionale del DAMA. Ma poiché non è stata trovata alcuna altra spiegazione per il loro segnale, è stata rassicurata. "Più una persona studia il proprio esperimento, più si rende conto di quanto sia stato fatto bene".
Ilya Khel
