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
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.
02.04.2004 Un flusso di WIMP attraversa la Terra
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.
05.05.2004 I risultati di CDMS II
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.
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