Come i nanoesplosivi potrebbero aiutare a risolvere uno dei più grandi misteri dell'astrofisica

Uno dei grandi misteri dell'astrofisica moderna è la natura della materia oscura. Questa è la sostanza misteriosa che secondo gli astrofisici deve esistere per fornire le forze gravitazionali necessarie per tenere insieme le galassie.

Il consenso generale è che ci sia circa cinque volte più materia oscura della materia visibile nell'universo. E questo solleva ovvie domande: cos'è questa roba e come possiamo rilevarla?

Queste domande hanno innescato una corsa onnipotente tra i fisici per rilevare la materia oscura e misurarne le caratteristiche. Ma i risultati dei loro esperimenti sono sconcertanti e contraddittori. Alcuni laboratori affermano di aver rilevato il materiale, mentre altri sembrano escludere la possibilità.

Ciò che è necessario, ovviamente, sono più dati da una maggiore varietà di rilevatori. E oggi, Alejandro Lopez-Suarez dell'Università del Michigan ad Ann Arbor e alcuni amici propongono un'idea inedita. Sperano di rilevare la materia oscura dall'effetto che ha sugli esplosivi.

Il loro piano è creare piccole particelle esplosive abbastanza sensibili da esplodere quando colpite da un grumo di materia oscura. Fatto ciò, i fisici si siedono e aspettano i successivi fuochi d'artificio.

La tecnologia chiave alla base di questo piano è lo sviluppo di granuli di materiali in termite che esplodono quando entrano in contatto con un agente ossidante. Gli ingegneri hanno usato a lungo granuli su scala micron, ma negli ultimi anni hanno iniziato a sviluppare anche granuli di dimensioni nanometriche.

I materiali coinvolti sono relativamente semplici. Le nanoparticelle possono essere fatte di un metallo come alluminio o itterbio e l'agente ossidante potrebbe essere qualcosa di semplice come l'ossido di ferro.

Data abbastanza energia per avviare la reazione, il metallo si riscalda e reagisce per formare un ossido di metallo. Quando una [particella di materia oscura] colpisce lo strato metallico, il metallo può riscaldarsi a sufficienza per superare la barriera di energia chimica tra il metallo e l'ossido di metallo, affermano Lopez-Suarez e co. Ne risulta un'esplosione.

Anche il design di questo tipo di rivelatore è relativamente semplice. È costituito da un gran numero di celle isolate l'una dall'altra. Ogni cellula è costituita da un gel ossidante in cui sono incorporate nanoparticelle metalliche.

Un rivelatore completo avrebbe bisogno di molte celle, forse 10^14 di esse, per creare un pasticcio target di circa un chilogrammo. I fisici possono osservare cosa succede ascoltando le esplosioni mentre accadono.

Questo design presenta una serie di vantaggi rispetto ai rilevatori di corrente. Il primo è che è relativamente facile distinguere le particelle di materia oscura dal rumore di fondo creato, ad esempio, dalle radiazioni ionizzanti.

Quando una particella di materia oscura colpisce una nanoparticella, si riscalda innescando una microesplosione. Questo riscalda altre nanoparticelle nelle vicinanze provocando una reazione a catena che si diffonde attraverso la cellula. Il risultato è che una singola cella all'interno del rivelatore esplode.

Al contrario, le radiazioni ionizzanti, come una particella alfa, passerebbero attraverso molte cellule facendole esplodere tutte. Quindi la firma di una singola cella che esplode può essere facilmente distinta dalle tracce create dal rumore di fondo.

Un altro vantaggio è che questo meccanismo di reazione a catena amplifica il segnale da una singola particella di materia oscura, rendendolo più facile da individuare. E ha anche una bassa soglia di energia che consente di rilevare anche particelle di materia oscura relativamente leggere.

Una domanda importante, ovviamente, è se tale rivelatore funzionerebbe. Lopez-Suarez e compagni hanno sgranocchiato i numeri e hanno determinato che le nanoparticelle di alluminio o itterbio incorporate in un gel ossidante e mantenute alla temperatura dell'idrogeno liquido dovrebbero fare abbastanza bene il trucco.

È un'idea interessante. La fase successiva sarebbe iniziare a testare questi materiali per vedere come potrebbero essere combinati in un prototipo di rivelatore. Un problema interessante per questo gruppo è come fabbricare tale rivelatore sulla superficie della Terra dove è probabile che il rumore di fondo delle radiazioni ionizzanti sia elevato.

Molti esperimenti sulla materia oscura sono ospitati in profonde miniere sotterranee proprio per questo motivo. Questo nuovo potrebbe anche dover essere alloggiato sottoterra e probabilmente anche fabbricato lì.

Al momento c'è un notevole interesse per nuovi tipi di rivelatori di materia oscura. L'anno scorso, abbiamo esaminato un progetto che prevedeva una camera di tracciamento del DNA che individua le particelle di materia oscura in base all'effetto che hanno sui singoli filamenti di DNA.

Questo è un altro approccio altrettanto innovativo. Sarà interessante vedere se qualcuno di loro vedrà la luce del giorno (per così dire, tosse).

Rif: http://arxiv.org/abs/1403.8115 : Nuovi rilevatori di materia oscura che utilizzano esplosivi in ​​nanoscala

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