L'Australia cerca la "materia oscura" nella profonda miniera d'oro

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L'Australia cerca la "materia oscura" nella profonda miniera d'oro
L'Australia cerca la "materia oscura" nella profonda miniera d'oro
Anonim

Nelle profondità di una miniera d'oro alla periferia della piccola cittadina vittoriana di Stowell, situata a poche ore di macchina a nord-ovest di Melbourne, è in costruzione un laboratorio per la ricerca di una delle sostanze più sfuggenti dell'universo: la materia oscura.

A un chilometro sotto terra, il laboratorio è ora più simile a una grotta delle dimensioni di un campo da tennis che a un'impresa multimilionaria. Questo perché il laboratorio, una partnership tra l'Università di Melbourne, ANSTO, Swinburne e altri, è ancora in fase di sviluppo. Ma in caso di successo, può aiutare a risolvere uno dei più grandi misteri dell'astrofisica.

"Questo è un momento critico per noi", ha detto Phillip Urquiho, professore associato presso l'Università di Melbourne, fisico delle particelle e coordinatore tecnico per un esperimento sulla materia oscura chiamato SABRE - Sodium Iodide with Active Background Rejection Experiment.

"Il laboratorio stesso dovrebbe essere completato entro dicembre. Speriamo che entro novembre saremo in grado di portare alcune delle nostre attrezzature sperimentali".

La materia oscura, che si pensa costituisca l'85% della materia nell'universo, non è facile da trovare. Non è visibile a nessuna delle lunghezze d'onda comunemente utilizzate per rilevare oggetti spaziali come gas e polvere. Inoltre, sembra che non interagisca affatto con le forze elettromagnetiche, il che significa che non assorbe, riflette o emette luce.

Gli scienziati conoscono la sua esistenza solo perché stelle, galassie e ammassi di galassie esercitano un'attrazione gravitazionale troppo forte senza ulteriori spiegazioni, ad esempio che da qualche parte si nasconde un mucchio di materia oscura.

"Se riusciamo a trovarlo, è un premio Nobel garantito", afferma il consulente senior di ANSTO per i progetti strategici, il dott. Richard Garrett. "È come [le onde gravitazionali. Questa è un'altra cosa che cercavo da 30-40 anni, finché alla fine questi enormi esperimenti (in particolare, l'Osservatorio di onde gravitazionali interferometriche laser) non l'hanno trovata".

Ma la ricerca della materia oscura finora non ha avuto successo. Ancora.

Sotto il nostro naso

I ricercatori stanno cercando di rilevare la materia oscura sulla Terra in vari modi.

Il primo modo è catturare la materia oscura che decade in qualcosa che possiamo rilevare, come i raggi gamma o le coppie particella-antiparticella. Sfortunatamente, la materia oscura non è l'unico processo astronomico che li produce, il che aggiunge un altro livello di complessità al processo.

Esistono rivelatori come SABRE che cercano di rilevare il rinculo di ipotetiche particelle di materia oscura chiamate particelle massicce a interazione debole, o WIMPS, da fonti sotterranee.

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Ma ogni rivelatore costruito finora ha rilevato solo segnali che potrebbero essere attribuiti a una causa diversa. La materia oscura rimane incomprensibile.

Con un'eccezione. Negli ultimi 25 anni, un rivelatore chiamato DAMA / LIBRA presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso vicino a L'Aquila, nel nord-est dell'Italia, ha rilevato un andamento annuale nel numero di segnali registrati. Chiamato "effetto di modulazione annuale", potrebbe essere causato dal movimento della Terra dentro e fuori dall'alone di materia oscura della nostra galassia.

"In questi 25 anni, i dati [DAMA / LIBRA] hanno dimostrato che ha questo effetto di modulazione annuale con un livello di fiducia estremamente, estremamente alto", afferma Urquijo."Attraverso la loro ricerca e revisioni indipendenti della loro ricerca, non sono stati in grado di escludere l'ipotesi della materia oscura per spiegarla".

Il laboratorio italiano era una specie di "corvo bianco" nel mondo dei rivelatori, poiché nessun altro rivelatore poteva replicare i loro risultati. Uno dei motivi è che il team DAMA/LIBRA ha utilizzato speciali cristalli di ioduro di sodio. Erano i più radiopuliti - cioè con un livello di radioattività molto basso - mai creati, e il team detiene ancora questo record.

Per la produzione di cristalli viene utilizzata la polvere di ioduro di sodio "astrograd", un composto a bassa radioattività, ma non ancora un cristallo. Quando i ricercatori coltivano un cristallo da una polvere, di solito i contaminanti radioattivi dell'ambiente rimangono impigliati nei cristalli, quindi è necessaria un'attrezzatura molto specifica per far crescere e purificare i cristalli mantenendo una bassa radioattività.

"In realtà è un processo di ricerca e sviluppo molto complesso e dispendioso in termini di tempo che è molto, molto di nicchia", afferma Urquijo dei cristalli.

Ma gli scettici di DAMA/LIBRA non credono che ciò sia dovuto alla purezza radioattiva dei cristalli. Poiché questo modello viene rilevato annualmente, si presume che il rilevatore misuri questo cambiamento di segnale solo in concomitanza con il cambio di stagione.

È qui che torna utile il fatto che siamo dall'altra parte del mondo con stagioni opposte.

"Se vediamo lo stesso effetto di loro, sappiamo che non si tratta di un effetto stagionale, ma di qualcosa di esterno", afferma Urquiho. "Fondamentalmente, vedremo entrambi la materia oscura."

Anche se non fosse materia oscura, sarebbe comunque qualcosa di esterno alla Terra di cui gli scienziati non sono ancora a conoscenza, il che sarebbe emozionante quasi quanto trovare la materia oscura. Ma prima devono finire il rilevatore.

Finora, hanno reso i cristalli di ioduro di sodio ancora più radiopuri di quelli utilizzati nell'esperimento DAMA/LIBRA, un'impresa che ha richiesto un lungo processo di ricerca e sviluppo tra istituti di tutto il mondo.

L'ANSTO ha già installato apparecchiature per testare i più piccoli livelli di radiazioni e il team sta testando tutti i materiali per la radioattività, assicurandosi che tutto sia il più basso possibile. Esistono piccoli livelli di radiazioni intorno a noi - anche le banane e gli esseri umani, ad esempio, sono leggermente radioattivi. Pertanto, il team deve limitare questa radioattività "normale" in modo che non interferisca con il funzionamento del rivelatore.

"Abbiamo misurato tutti i tipi di sabbia, ghiaia e polvere di cemento provenienti da tutta l'Australia cercando di trovare la migliore miscela di calcestruzzo per la costruzione", afferma Garrett.

"Stiamo cercando segnali molto, molto deboli nel sottosuolo, ma non ha senso farlo se il cemento che stiamo usando è radioattivo".

Quindi - la posizione. Ci sono molti aspetti positivi nel lavorare in una miniera d'oro attiva. La società mineraria si occupa di tutta la gestione della ventilazione e della sicurezza. Inoltre, i minatori possono trasportare scienziati in auto da miniera appositamente attrezzate attraverso tunnel lunghi e tortuosi fino al laboratorio.

Ma questo metodo ha i suoi svantaggi e problemi. La costruzione del laboratorio è stata ritardata di quasi tre anni quando la miniera ha cambiato proprietario e ha chiuso per un po'. Inoltre, la grotta deve essere svuotata ogni otto ore in modo che i minatori possano cercare l'oro.

Nei diagrammi, la SCIABOLA si presenta come un lampadario all'interno di un tino, racchiuso in una volta metallica. Il rivelatore stesso è un lampadario appeso alla parte superiore della vasca e riempito con 50 kg di cristalli di ioduro di sodio purificato via radio per rilevare qualsiasi minimo accenno di radiazione.

Il chan, che il team chiama Veto, è disseminato di fotomoltiplicatori (rivelatori di luce incredibilmente sensibili) e conterrà alchilbenzene lineare, un liquido comunemente usato per fare i detersivi, ma in questo caso usato come "scintillatore liquido" che lampeggerà di luce quando lo colpisce radiazioni. E c'è anche una volta di quattro metri, che anche Urquiho può dire un po' troppo: la SABRE conterrà circa 100 tonnellate di acciaio, che protegge l'esperimento dalle radiazioni di particelle vaganti che possono rovinare qualsiasi potenziale misurazione.

"Avevamo una vera paranoia riguardo alle radiazioni di fondo", spiega Urquijo. "La regione con la radioattività più bassa che si può trovare ovunque nell'emisfero australe è proprio al centro di questi cristalli".

Ma ora le parti del rilevatore non sono ancora state trasportate nella miniera, ma nel parcheggio si trova invece parte dell'attrezzatura per la ricerca della materia oscura.

"L'Università di Melbourne non ha molto spazio per le apparecchiature, quindi stiamo usando la nostra connessione ANSTO per posizionare lo scintillatore liquido nel parcheggio", afferma Urquijo.

Quando il rilevatore è finalmente installato, non resta che sedersi in superficie e attendere i risultati. Ma fino ad allora, la squadra ha qualcosa da fare.

"Ogni materiale viene da noi e misuriamo la sua radioattività per vedere se è abbastanza buono", dice Garrett.

"È una corsa contro il tempo".

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