WIPMPS

La star del momento si chiama Wimp (Weakly Interactive Massive Particle), ovvero particelle dotate di massa ma poco interagenti con l’altra materia. Questi Wimp sono nati nell'ambito delle teorie supersimmetriche, indispensabili non appena si cerca di unificare l'insieme delle interazioni (elettromagnetismo, forza nucleare debole, forte e gravitazione). I modelli di supersimmetria prevedono tra l'altro l'esistenza d'un corpuscolo "massiccio", stabile e che chiamiamo neutralino. Non avendolo mai osservato, non sappiamo ancora bene quale sia la massa. Se questi Wimps – o neutralini – riempiono l'universo, una quantità importante deve attraversare la Terra in ogni momento. Dovrebbe essere quindi possibile rilevare la loro presenza., se non fosse che la stessa teoria che li ha “creati” prevede anche una capacità di interazione quasi nulla con la materia: probabilemente 10000 volte minore a quella del neutrino, che già di suo ha una solida reputazione di particella poco “socievole”. Nonostante la sfida sia notevole, numerose "squadre" nel mondo l'hanno rilevata. Un buon esempio è l’esperimento francese Edelweiss (Expérience pour Detecter Les Wimps En Site Souterrain). Il principio di Edelweiss, iniziato nel 1992 e che oggi mobilita una quarantina di scienziati, è abbastanza semplice e consiste nel raffreddare al limite dello zero assoluto (11 milliKelvin) qualche centinaia di grammi di un cristallo di Germanium. Una collisione di un Wimps con un nucleo del cristallo produrrà un infimo riscaldamento (di un milionesimo di grado, o anche meno) in grado di essere misurato. Se la teoria conta poche righe, la pratica richiede invece anni di test e dei mezzi considerevoli. La difficoltà consiste nell'eliminare le particelle parassite che attraversano il detettore e che disturbano il debole segnale. A causa dei raggi cosmici che bombardano l'atmosfera, la squadra francese ha dovuto isolarsi sotto 1800 m di roccia, nel laboratorio sotterraneo di Modane, nel tunnel del Fréjus, alla frontiera franco-italiana. Per proteggere il detettore dalla radioattività esterna usiamo del piombo. Ma il piombo contiene lui stesso un pò di piombo-210, che è radioattivo. Uno rompicapo risolto recuperando il piombo da antiche galere romane: i due millenni passati sotto il mare l'hanno “depurato” della sua radioattività. Attualmente rigettiamo più del 99,9% della radioattività standard (beta e gamma), tuttavia rimangono i neutroni, molto fastidiosi a causa della loro carica neutra che li porta ad interagire grosso modo come dei Wimps. Durante le osservazioni è dunque indispensabile isolare, nelle poche interazioni ottenute, quelle che non possono essere attribuite a un neutrone parassita. Al momento, non abbiamo avuto notizie sul risultato tanto atteso, ma noi, astrofisici teorici, continuiamo a crederci: i valori di interazione che può detettare non corrispondono ancora con quelli attesi per un Wimp. L'attuale capacità degli strumenti è ancora molto rozza. E la sensibilità da raggiungere si situa ancora 100 volte più in là delle attuali capacità. Questo rappresenta appena qualche interazione per anno per tonnellata di germanio. L'impianto attuale sarà smontato nell'autunno 2003 e rimpiazzato, poco a poco, con un centinaio di nuovi detettori (contro 3 attuali), raffredati da un criostato 50 volte più grande. Con un pò di fortuna, dovremmo finalmente vedere qualcosa !! Una scoperta che sarebbe probabilmente coronata col premio Nobel. Avremo allora l'ingrediente essenziale del cosmo ? No, visto che un nuovo attore è entrato in scena. Da due anni si ipotizza che nell'universo non vi sia solo materia visibile e materia oscura, ma anche una grande quantità di "energia nera", totalmente sconosciuta, e che avrebbe come effetto di accelerare l'espansione dell'universo. Questa energia, di cui ignoriamo tutto, rappresenterebbe il 70% dell'energia totale dell'universo (la materia propriamente detta non rappresenta che il 30%, di cui appena il 5% è conosciuta). Ancora prima di essere risolto, l'enigma della materia oscura cede dunque il posto a un nuovo mistero, mistero dalle proporzioni ancora più vertiginose.

The EDELWEISS experiment, gathering a collaboration of seven French teams of physicists and astrophysicists, is searching for Weakly Interacting Massive Particles, or WIMPs. These particles could explain in part the nature of Dark Matter which contributes for 99% of the Universe. On May 29th, at the "Neutrino 2002" conference in Munich, researchers from the French CEA and CNRS institutes have presented two important results: EDELWEISS is able, for the first time, to test a significant domain of supersymmetry with important precision, and contradict the results presented in February 2000 by the DAMA Italian experiment , which had reported the observation of WIMPs with a mass 60 times the proton mass. Luminous matter only contributes for one per cent to the density of the Universe, and ordinary matter, made of protons and neutrons, represents at most 5% of this total density. The nature of the very large fraction of missing mass, named Dark Matter, is completely unknown and its identification represents one of the major questions of contemporary physics. A large part of this Dark Matter could appear under the form of very massive elementary particles, called WIMPs, surrounding every galaxy. Supersymmetric theories (SUSY), unifying the four fundamental interactions predict the existence, not yet verified, of these massive particles. But the direct observation of their existence, through the detection of their interactions with ordinary matter, is extremely difficult. In fact, their interaction rate, whose range can be estimated from cosmological data and accelerator-based experiments, is expected to be extremely small: for one kilogram of detector, the most favorable interaction rate is predicted to be one interaction per day, and is probably much less. WIMPs are therefore even more difficult to catch than neutrinos, already interacting very weakly with matter. In this search, the DAMA Italian experiment, set in the Gran Sasso Underground laboratory, near Rome, has published in 2000 results supporting the existence of a WIMP of mass about sixty times the proton mass, with an interaction rate approximately one interaction per day and per kg of detector. Now, EDELWEISS, set in the Fréjus Underground Laboratory, under the Alps, is the first experiment to explore a significant fraction of supersymmetric theories compatible with experiments realized at the large CERN accelerator, LEP. With its sensitivity, EDELWEISS is able the exclude the whole domain corresponding to the WIMP observed by the DAMA experiment, assuming that this WIMP is really a SUSY particle interacting with matter in the standard way. During the forthcoming year, the sensitivity of EDELWEISS should increase by a further factor 5. A more ambitious version of the experiment, EDELWEISS-II, is presently assembled and tested in Lyon and Grenoble, and will be operated in Fréjus at the end of 2003. EDELWEISS-II will be able to accommodate more than 100 detectors (instead of 3 presently) and will increase its sensitivity by a factor 100. With this experiment, the predictions of a large fraction of SUSY theories will be tested, and the first clear interactions of WIMPs will, hopefully, be detected. Given the extreme difficulty to detect WIMPs, it is mandatory to protect the detectors from natural radioactivity. Therefore, the EDELWEISS experiment is protected by the 1600 meters of rock in the Fréjus tunnel, and all materials are rigorously selected for their low radioactivity. This protection reduces the cosmic-ray flux by a factor 2 million, and the neutron background by a factor 10,000. Despite these precautions, a residual radioactive background of gamma- and beta-rays still persists. It is therefore necessary to differenciate a WIMP impact from the interactions of the residual radioactive background. Measuring charge and energy liberated in the interaction allows to separate radioactive background from WIMP interactions: electrons and photons from beta and gamma-ray radioactivity interact essentially with electrons, whereas WIMPs only interact with nuclei, here much less ionizing. The EDELWEISS experiment uses an extremely sensitive double detection scheme, recording both ionization and heat. For the first one, signals of only a few hundred electrons are detectable, whereas for the second, a temperature increase of only one millionth of a degree can be measured. EDELWEISS uses detectors made of ultrapure germanium, 320 g each, operated at a temperature of 20 millikelvins, close to absolute zero. These detectors have a sensitivity allowing them to reject 99.9% of the radioactive background.

Un nuovo studio potrebbe confermare i risultati di DAMA. Un gruppo di astrofisici suggerisce che la Terra potrebbe essere attraversata da un'"autostrada spaziale" di WIMP che viaggiano a un milione di chilometri all'ora, un fenomeno che dimostrerebbe la natura della "materia oscura" che costituisce gran parte della Via Lattea e dell'intero universo. Si ritiene che la materia oscura sia costituita da WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle subatomiche la cui esistenza è solo teorizzata. Più di 20 gruppi di fisici in tutto il mondo stanno costruendo (o l'hanno già fatto) apparecchi per rivelare la loro presenza. Nel 1998 un rivelatore sotterraneo di WIMP chiamato DAMA (Dark Matter) situato al laboratorio nazionale del Gran Sasso, in Italia, aveva suggerito che la Terra è attraversata da particelle provenienti da un alone invisibile di materia oscura che circonda la Via Lattea. Ma alcuni scienziati avevano messo in dubbio questo risultato, in quanto altri rivelatori progettati in modo differente non avevano trovato traccia di WIMP. Il nuovo studio, pubblicato sul numero del 19 marzo della rivista "Physical Review Letters", suggerisce un modo per dimostrare la verità. Paolo Gondolo dell'Università dello Utah e colleghi spiegano che oltre ai WIMP provenienti dall'alone che circonda la galassia, il nostro sistema solare potrebbe essere attraversato anche da un'"autostrada" di materia oscura proveniente dal Sagittario, una galassia nana che la gravità della Via Lattea sta lentamente facendo a pezzi. La combinazione dei WIMP della Via Lattea e di quelli del Sagittario produrrebbe uno schema distinto che sarebbe osservabile nei dati del rivelatore.

Misurato il limite di interazione dei WIMP con una precisione superiore ai dati precedenti.Con la pubblicazione dei primi dati provenienti da un osservatorio sotterraneo nel Minnesota, gli scienziati della collaborazione Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) si sono inoltrati con una precisione mai raggiunta prima nel misterioso regno dei WIMP (particelle massive che interagiscono debolmente), gli oggetti che secondo i fisici teorici potrebbero costituire la materia oscura e la chiave della supersimmetria a scala subatomica. I risultati dell'esperimento CDMS II, descritti in un articolo inviato alla rivista "Physical Review Letters", mostrano che, entro un livello di confidenza del 90 per cento, il tasso di interazione di un WIMP con massa di 60 GeV è inferiore a 4 x 10^-43 cm², ovvero a circa un'interazione ogni 25 giorni per chilogrammo di germanio, il materiale nel rivelatore utilizzato per l'esperimento. Questo risultato dice ai ricercatori molto di più di quanto conoscessero in precedenza sui WIMP, ma ancora non chiarisce se essi effettivamente esistano. Le misure dei rivelatori di CDMS II sono almeno quattro volte più accurate delle migliori misure disponibili in precedenza, quelle dell'esperimento EDELWEISS con un rivelatore sotterraneo vicino a Grenoble, in Francia.