Materia oscura: per rilevarla occorre del rame ultrapuro

Per cercare di individuare la materia oscura, quella misteriosa sostanza che compone l’85% della materia dell’Universo e che continua inevitabilmente a sfuggirci, i ricercatori del Fermilab, hanno ricevuto tra febbraio e marzo, tre lotti di lastre di rame, finiti nel loro laboratorio a 100 metri sottoterra.

Il lungo viaggio del rame alla ricerca della materia oscura

Il rame giunto al Fermilab ha viaggiato dall’Europa agli Stati Uniti per partecipare alla ricerca della materia oscura. Estratto in Finlandia è stato trasformato in lastre in Germania, per poi arrivare, viaggiando via terra e via mare, fino al Fermi National Accelerator Laboratory, meglio noto come Fermilaba, a Batavia, a meno di 50 km o ovest di Chigago.

Come ha spiegato Dan Bauer, ricercatore del Fermilab, “sulla superficie della Terra, siamo in una pioggia di raggi cosmici”. E quando queste particelle ad alta energia provenienti dallo spazio colpiscono un atomo di rame, danno vita ad un altro atomo, il cobalto-60, eliminando protoni e neutroni dall’atomo di rame. Il cobalto-60, essendo radioattivo, è instabile e decade spontaneamente in altre particelle.

Noi non notiamo quello che avviene al rame quando le particelle spaziali lo colpiscono, perché il numero di atomi di rame convertiti in cobalto è davvero minuscolo. Ma Bauer ed il suo team sono in grado di individuarle nella loro ricerca sulla materia oscura super criogenica. Per realizzare i loro esperimenti, i ricercatori devono adottare misure drastiche per assicurarsi che il rame utilizzato sia il più puro possibile.

Un rilevatore supersensibile per cercare le WIMP

Le lastre di rame costituiranno il SuperCDMS che cercherà la materia oscura allo SNOLAB, il laboratorio sotterraneo di Sudbury, nell’Ontario in Canada. Le lastre di rame saranno trasformate in cilindri impilati l’uno dentro l’altro, come delle matrioske. Il cilindro di rame più interno ospiterà dispositivi al germanio e al silicio progettati per rilevare delle particelle candidate per essere parte della materia oscura, le WIMP, o Weakly Interacting Massive Particle (particelle massive debolmente interagenti). Si tratta di particelle ipotetiche dotate di massa che interagiscono debolmente con la materia normale solo tramite la gravità e l’interazione debole.

Il cilindro più esterno sarà poco più largo di un metro e si troverà sottovuoto. L’intero apparecchio, soprannominato SNOBOX, sarà collegato tramite una serie di steli di rame ad uno speciale sistema di raffreddamento che porterà i rivelatori fino ad una temperatura di una minuscola frazione di grado maggiore dello zero assoluto.

La bassa temperatura rende quasi nulle le vibrazioni termiche, facendo in modo che anche le deboli interazioni delle WIMP, possano lasciare una traccia rilevabile in caso di collisione con un atomo.

Per trovare la materia oscura occorre del rame ultrapuro

Per realizzare l’esperimento e determinare se davvero la materia oscura colpirà il rame del Super CDMS, questo deve essere il più puro possibile e contenere il minor numero di tracce possibili delle radiazioni spaziali che investono la Terra e dei metalli radioattivi presenti nelle miniere.

Per evitare qualsiasi contaminazione da altri metalli, il rame è stato estratto in una miniera specifica dove il livelli di tali metalli sono bassi. Una volta ricevuto le lastre, i ricercatori del Fermilab hanno inviato dei campioni al Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per test dettagliati necessari per quantificare le impurità rimanenti.

Presto le lastre lasceranno il Fermilab per la fabbricazione dei cilindri, dopodiché raggiungeranno la loro casa allo SNOLAB. Ma prima che raggiungano il laboratorio sotterraneo, saranno trattati con un acido che rimuoverà alcune decine di micron di rame della superficie.

Il progetto SuperCDMS prevede di iniziare a raccogliere i primi dati nel 2022. Grazie a questo sistema più sensibile rispetto ai precedenti, i ricercatori sperano di individuare finalmente delle eventuali piccole WIMP.

Ph. Credit: immagine di Dan Bauer, Fermilab