Si chiama Tesseract ma non ha niente a che vedere né con un ipercubo quadridimensionale né con la gemma dell’infinito. È un esperimento per tentare di catturare l’apparentemente imprendibile materia oscura.

Quando si tratta di comprendere l’universo, ciò che sappiamo rappresenta solo una piccolissima parte del quadro complessivo. La materia oscura e l’energia oscura costituiscono infatti circa il 95 per cento dell’universo, mentre solo il 5 per cento è “materia ordinaria”, ossia ciò che possiamo osservare. Comprendere la materia oscura è fondamentale per svelare le leggi più profonde della natura. Ma per comprenderla, aiuterebbe rilevarla; per farlo, occorrono rilevatori eccezionalmente sensibili.

Rupak Mahapatra, fisico sperimentale delle particelle, tiene in mano un rivelatore SuperCdms. Questi dispositivi ad altissima sensibilità, fabbricati presso la Texas A&M University, stanno ampliando la ricerca della materia oscura e presentano potenziali applicazioni nel calcolo quantistico. Crediti: Laura McKenzie / Texas A&M University, Division of Marketing and Communications

Rupak Mahapatra, fisico sperimentale alla Texas A&M University, progetta rivelatori a semiconduttore avanzati dotati di sensori quantistici criogenici, che alimentano esperimenti in tutto il mondo e spingono sempre più in là i confini della ricerca per esplorare questo mistero fondamentale.

Attualmente, le Wimp (weakly interacting massive particles, particelle massicce debolmente interagenti) sono considerate tra i candidati più promettenti per spiegare la natura della materia oscura non barionica. Si tratta di particelle ipotetiche che interagiscono solo tramite la gravità e la forza nucleare debole, una caratteristica che le rende estremamente difficili da rilevare. Se esistessero, potrebbero spiegare la massa “mancante” dell’universo. Per cercarle, esperimenti come Tesseract impiegano rivelatori ultrasensibili, raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, progettati per catturare le rare interazioni tra queste ipotetiche Wimp e la materia ordinaria.

Alla Texas A&M, il gruppo di Mahapatra sta costruendo rivelatori così sensibili da poter captare segnali provenienti da particelle che interagiscono molto raramente con la materia ordinaria. «La sfida è che la materia oscura interagisce in modo talmente debole che abbiamo bisogno di rivelatori capaci di osservare eventi che potrebbero verificarsi una volta all’anno, o addirittura una volta ogni dieci anni», spiega Mahapatra.

Il lavoro di Mahapatra si inserisce in una lunga storia di progressi nel superare i limiti della rivelazione, grazie alla sua partecipazione negli ultimi 25 anni all’esperimento Supercdms, uno dei programmi di ricerca sulla materia oscura più avanzati al mondo. In un articolo pubblicato nel 2014 su Physical Review Letters, lui e i suoi collaboratori hanno introdotto una tecnica che ha permesso di indagare le Wimp a bassa massa, uno dei principali candidati per la materia oscura. Questa tecnica ha migliorato in modo drastico la sensibilità a particelle che in precedenza erano fuori portata.

I rivelatori di fononi – quasiparticelle che descrivono le vibrazioni collettive degli atomi in un solido – utilizzati nella ricerca della materia oscura richiedono un’eccellente risoluzione in energia (dell’ordine di 1 eV o inferiore) e livelli di rumore di fondo molto bassi. Una sorgente sconosciuta di burst di fononi, nota come low energy excess (Lee), domina il rumore di fondo e genera un eccesso di rumore shot dovuto a burst sotto la soglia.

In questo lavoro gli autori hanno misurato questi burst di fononi per 12 giorni dopo il raffreddamento, in due rivelatori di silicio quasi identici, di area 1 cm², che differiscono unicamente per lo spessore del substrato (1 mm contro 4 mm). Hanno osservato che sia il rumore shot correlato tra i canali sia il Lee condiviso vicino alla soglia diminuiscono con il tempo trascorso dal raffreddamento. Inoltre, sia il rumore shot correlato sia il tasso di eventi Lee scalano linearmente con lo spessore del substrato.

Combinando questi risultati con misure precedenti effettuate su altri rivelatori di fononi in silicio con geometrie del substrato diverse e strategie di supporto meccanico diverse, emerge con forza che la sorgente dominante del Lee, sia sopra che sotto la soglia, è proprio il substrato.

Un wafer contenente numerosi chip con differenti architetture progettuali per il progetto Tesseract. Crediti: Laura McKenzie / Texas A&M University, Division of Marketing and Communications

Nel loro dataset finale, gli autori riportano una risoluzione energetica da primato mondiale pari a 258,5 ± 0,4 meV nel rivelatore con substrato spesso di 1 mm. Semplici calcoli suggeriscono che questi burst di fononi nel substrato di silicio costituiscano probabilmente una sorgente significativa di avvelenamento da quasiparticelle (quasiparticle poisoning, in inglese, ovvero la perdita di informazioni o il cambiamento di stato di un qubit dovuta all’interazione di una quasiparticella) nei qubit superconduttivi operati in ambienti ben schermati e privi di vibrazioni.

Mahapatra utilizza le sue tecnologie di rivelazione all’avanguardia, realizzate presso la Texas A&M, in diversi esperimenti sotterranei di ricerca sulla materia oscura, oltre che in esperimenti condotti presso reattori nucleari. «Nessun singolo esperimento potrà darci tutte le risposte», osserva il ricercatore. «Abbiamo bisogno di una sinergia tra metodi diversi per ricomporre il quadro completo».

«Se riusciremo a rilevare la materia oscura, apriremo un nuovo capitolo della fisica», conclude. «Questa ricerca richiede tecnologie di rivelazione estremamente sensibili e potrebbe portare a sviluppi tecnologici che oggi non siamo nemmeno in grado di immaginare».

Per saperne di più:

• Leggi su Applied Physics Letters l’articolo “Spontaneous generation of athermal phonon bursts within bulk silicon causing excess noise, low energy background events, and quasiparticle poisoning in superconducting sensors” di C.L. Chang, Y.-Y. Chang, M. Garcia-Sciveres, W. Guo, S.A. Hertel, X. Li, J. Lin, M. Lisovenko, R. Mahapatra, W. Matava, D.N. McKinsey, P.K. Patel, B. Penning, M. Platt, M. Pyle, Y. Qi, M. Reed, I. Rydstrom, R.K. Romani, B. Sadoulet, B. Serfass, P. Sorensen, B. Suerfu, V. Velan, G. Wang, Y. Wang, M.R. Williams, V.G. Yefremenko