I nanofili superconduttori potrebbero essere utilizzati per rilevare la materia oscura

Una delle grandi ricerche scientifiche del nostro tempo è la caccia alla materia oscura. I fisici credono che questa roba riempia l'universo e pensano di poterne vedere le prove nel modo in cui le galassie ruotano. In effetti, le galassie ruotano così velocemente che dovrebbero allontanarsi a meno che una massa nascosta non generi abbastanza forza gravitazionale per tenerle insieme.

Questa prova ha spinto i fisici a cercare la materia oscura sulla Terra. Hanno costruito dozzine di osservatori, la maggior parte in caverne sotterranee in profondità sotto la superficie, dove il rumore di fondo è basso. In gioco c'è fama e fortuna scientifica, con il gruppo che ritiene che la materia oscura possa essere ampiamente ricompensata.

Ma finora i fisici non hanno trovato proprio nulla. Se è là fuori, la materia oscura è molto ben nascosta. Oppure i fisici hanno cercato nel posto sbagliato. Una possibilità è che le particelle di materia oscura siano troppo piccole per essere viste dagli esperimenti attuali. Quindi i fisici vogliono disperatamente modi migliori e più sensibili per rilevare queste cose.

Entrano Yonit Hochberg dell'Università Ebraica di Gerusalemme in Israele e alcuni colleghi, che hanno sviluppato un nuovo promettente sensore basato su minuscoli fili superconduttori. Il prototipo del team mostra già il potenziale di questo approccio.

Il principio alla base del nuovo dispositivo è semplice. Raffredda alcuni metalli al di sotto di una temperatura critica e conducono senza resistenza. Ma non appena la loro temperatura sale al di sopra di questa soglia, il comportamento superconduttore scompare.

I fisici sanno che le particelle di materia oscura non possono interagire fortemente con la materia visibile; altrimenti li avrebbero già visti. Ma le particelle di materia oscura possono scontrarsi frontalmente con le particelle ordinarie.

Queste collisioni sono rare perché la materia ordinaria è per lo più spazio vuoto, quindi le particelle di materia oscura possono passare direttamente attraverso. Ma quando entrano in collisione con un nucleo atomico o un elettrone in un reticolo, ad esempio, la collisione fa vibrare il reticolo, aumentando così la sua temperatura.

È questo aumento di temperatura che i nanofili superconduttori sono bravi a rivelare. Il riscaldamento fa sì che una piccola parte del filo smetta di essere superconduttore e questo a sua volta crea un impulso di tensione facile da misurare. Inoltre, un tale dispositivo produce pochi, se non nessuno, falsi positivi.

Hochberg e co hanno messo alla prova la loro idea costruendo un prototipo. Questo dispositivo è costituito da un insieme di nanofili di siliciuro di tungsteno larghi appena 140 nanometri (un capello umano è largo circa 100.000 nanometri) e lunghi 400 micrometri. L'intero apparato si trova a pochi milligradi sopra lo zero assoluto, in modo che i fili di siliciuro di tungsteno diventino superconduttori.

Il team ha quindi cercato gli impulsi di tensione che potrebbero rivelare una collisione di materia oscura. Con un'adeguata schermatura in atto, non hanno trovato impulsi durante la durata di 10.000 secondi delle loro misurazioni.

Ciò pone importanti vincoli al tipo di materia oscura che potrebbe essere presente e alla sua densità. Inoltre pone vincoli ad altri tipi di particelle che i fisici ipotizzano potrebbero esistere.

Uno di questi è il fotone oscuro, essenzialmente l'equivalente di materia oscura del fotone ordinario. Se esistono, il nuovo sensore non ne ha rilevato uno. I risultati di questo dispositivo pongono già limiti significativi alle interazioni materia oscura-elettrone, inclusi i limiti terrestri più forti sull'assorbimento di fotoni oscuri sub-eV fino ad oggi, affermano Hochberg e co.

È un lavoro impressionante, dato che la massa dei nanofili è di pochi nanogrammi. Il prossimo passo è fabbricarli su scala più ampia. Hochberg e colleghi affermano che la tecnologia è relativamente matura, quindi ciò dovrebbe essere possibile su una scala di tempo breve. In effetti, stimano che un laboratorio accademico potrebbe sfornare un migliaio di rivelatori da 200 nanometri con una massa totale di 1,3 grammi in un solo anno. Uno sforzo industriale potrebbe realizzare molte volte quel numero, sottolineano.

Quindi un rilevatore in scala di un chilogrammo potrebbe essere fattibile in un futuro non troppo lontano. Una macchina del genere rivaleggia con quelle già in funzione nella ricerca della materia oscura, ma guarderebbe le diverse energie in un modo diverso.

Quindi potrebbe essere che un giorno i nanofili superconduttori scopriranno la materia oscura, se esiste.

Rif: arxiv.org/abs/1903.05101 : Rilevamento della materia oscura con nanofili superconduttori

nascondere