Particelle massive debolmente interagenti
Il rilevamento diretto si riferisce all’osservazione degli effetti di una collisione WIMP-nucleo mentre la materia oscura passa attraverso un rivelatore in un laboratorio terrestre.Mentre la maggior parte dei modelli WIMP indicano che un numero sufficiente di WIMP deve essere catturato in grandi corpi celesti per esperimenti di rilevamento indiretto per avere successo, rimane possibile che questi modelli siano errati o spieghino solo una parte del fenomeno della materia oscura. Pertanto, anche con i molteplici esperimenti dedicati a fornire prove indirette per l’esistenza della materia oscura fredda, sono necessarie anche misurazioni di rilevamento diretto per solidificare la teoria dei WIMP.
Anche se ci si aspetta che la maggior parte dei WIMP che incontrano il Sole o la Terra passino senza alcun effetto, si spera che un gran numero di WIMP di materia oscura che attraversano un rivelatore sufficientemente grande interagisca abbastanza spesso da essere visto—almeno alcuni eventi all’anno. La strategia generale degli attuali tentativi di rilevare i WIMP è quella di trovare sistemi molto sensibili che possono essere scalati fino a grandi volumi. Questo segue le lezioni apprese dalla storia della scoperta e (ormai) il rilevamento di routine del neutrino.
Tecniche sperimentalimodifica
Rivelatori di cristalli criogenici – Una tecnica utilizzata dal rivelatore criogenico di ricerca della materia oscura (CDMS) nella miniera di Soudan si basa su più cristalli di germanio e silicio molto freddi. I cristalli (ciascuno delle dimensioni di un disco da hockey) sono raffreddati a circa 50 mK. Uno strato di metallo (alluminio e tungsteno) sulle superfici viene utilizzato per rilevare un WIMP che passa attraverso il cristallo. Questo design spera di rilevare le vibrazioni nella matrice di cristallo generata da un atomo che viene “calciato” da un WIMP. I sensori del bordo di transizione del tungsteno (TES) sono tenuti alla temperatura critica in modo che siano nello stato superconduttore. Le grandi vibrazioni cristalline generano calore nel metallo e sono rilevabili a causa di un cambiamento nella resistenza. CRESST, CoGeNT e EDELWEISS eseguono configurazioni simili.
Scintillatori di gas nobili – Un altro modo di rilevare gli atomi “bussati” da un WIMP è quello di utilizzare materiale scintillante, in modo che gli impulsi di luce siano generati dall’atomo in movimento e rilevati, spesso con PMT. Esperimenti come DEAP a SNOLAB e DarkSide allo strumento LNGS una massa bersaglio molto grande di argon liquido per ricerche WIMP sensibili. ZEPLIN e XENON hanno utilizzato lo xeno per escludere i WIMP a maggiore sensibilità, con i limiti più severi fino ad oggi forniti dal rivelatore XENON1T, utilizzando 3,5 tonnellate di xeno liquido. Rivelatori allo xeno liquido multi-ton ancora più grandi sono stati approvati per la costruzione dalle collaborazioni XENON, LUX-ZEPLIN e PandaX.
Scintillatori di cristallo – Invece di un gas nobile liquido, un approccio in linea di principio più semplice è l’uso di un cristallo scintillante come il NaI(Tl). Questo approccio è preso da DAMA / LIBRA, un esperimento che ha osservato una modulazione anulare del segnale coerente con il rilevamento WIMP (vedi § Limiti recenti). Diversi esperimenti stanno tentando di replicare questi risultati, tra cui ANAIS e DM-Ice, che sta codeploying cristalli NaI con il rivelatore IceCube al Polo Sud. KIMS si sta avvicinando allo stesso problema usando CsI(Tl) come scintillatore. La collaborazione COSENO-100 (una fusione di gruppi KIMS e DM-Ice) ha pubblicato i loro risultati sulla replica del segnale DAMA/LIBRA a dicembre 2018 sulla rivista Nature; la loro conclusione è stata che “questo risultato esclude le interazioni WIMP–nucleone come causa della modulazione annuale osservata dalla collaborazione DAMA”.
Bubble chambers – The PICASSO (Progetto In Canada per la ricerca di oggetti supersimmetrici) esperimento è un esperimento di ricerca diretta materia oscura che si trova a SNOLAB in Canada. Utilizza rilevatori di bolle con Freon come massa attiva. PICASSO è prevalentemente sensibile alle interazioni spin-dipendenti dei WIMP con gli atomi di fluoro nel Freon. COUP, un esperimento simile che utilizza trifluoroiodometano (CF3I), ha pubblicato limiti per la massa superiore a 20 GeV nel 2011. I due esperimenti si sono fusi in PICO collaboration nel 2012.
Un rilevatore di bolle è un dispositivo sensibile alle radiazioni che utilizza piccole goccioline di liquido surriscaldato sospese in una matrice di gel. Utilizza il principio di una camera a bolle ma, poiché solo le piccole goccioline possono subire una transizione di fase alla volta, il rivelatore può rimanere attivo per periodi molto più lunghi. Quando una quantità sufficiente di energia viene depositata in una goccia da radiazioni ionizzanti, la goccia surriscaldata diventa una bolla di gas. Lo sviluppo della bolla è accompagnato da un’onda d’urto acustica che viene captata da sensori piezoelettrici. Il vantaggio principale della tecnica del rilevatore di bolle è che il rivelatore è quasi insensibile alle radiazioni di fondo. La sensibilità del rivelatore può essere regolata cambiando la temperatura, tipicamente operata tra 15 °C e 55 °C. C’è un altro esperimento simile utilizzando questa tecnica in Europa chiamato SEMPLICE.
PICASSO riporta risultati (novembre 2009) per interazioni WIMP spin-dipendenti su 19F, per masse di 24 Gev sono stati ottenuti nuovi limiti rigorosi sulla sezione trasversale spin-dipendente di 13,9 pb (90% CL). I limiti ottenuti limitano le recenti interpretazioni dell’effetto di modulazione annuale DAMA/LIBRA in termini di interazioni dipendenti dallo spin.
PICO è un ampliamento del concept previsto nel 2015.
Altri tipi di camere di proiezione a tempo rivelatore (TPC) riempite con gas a bassa pressione sono in fase di studio per il rilevamento WIMP. La collaborazione Directional Recoil Identification From Tracks (DRIFT) sta tentando di utilizzare la direzionalità prevista del segnale WIMP. DRIFT utilizza un obiettivo di disolfuro di carbonio, che consente a WIMP recoils di viaggiare di diversi millimetri, lasciando una traccia di particelle cariche. Questa traccia carica viene spostata su un piano di lettura MWPC che consente di ricostruirla in tre dimensioni e determinare la direzione di origine. DMTPC è un esperimento simile con gas CF4.
Limiti recentimodifica
Attualmente non ci sono rilevamenti confermati di materia oscura da esperimenti di rilevamento diretto, con i limiti di esclusione più forti provenienti dagli esperimenti LUX e SuperCDMS, come mostrato in figura 2.Con 370 chilogrammi di xenon LUX è più sensibile di XENON o CDMS. I primi risultati di ottobre 2013 riferiscono che non sono stati osservati segnali, che sembrano confutare i risultati ottenuti da strumenti meno sensibili. e questo è stato confermato dopo che la corsa finale dei dati si è conclusa a maggio 2016.
Storicamente ci sono stati quattro insiemi anomali di dati provenienti da diversi esperimenti di rilevamento diretto, due dei quali sono stati ora spiegati con sfondi (CoGeNT e CRESST-II) e due che rimangono inspiegabili (DAMA/LIBRA e CDMS-Si). Nel febbraio 2010, i ricercatori del CDMS hanno annunciato di aver osservato due eventi che potrebbero essere stati causati da collisioni WIMP-nucleo.
CoGeNT, un rilevatore più piccolo che utilizza un singolo disco di germanio, progettato per rilevare WIMP con masse più piccole, ha riportato centinaia di eventi di rilevamento in 56 giorni. Hanno osservato una modulazione annuale nel tasso di eventi che potrebbe indicare la materia oscura chiara. Tuttavia un’origine di materia oscura per gli eventi cogenti è stata confutata da analisi più recenti, a favore di una spiegazione in termini di sfondo da eventi di superficie.
La modulazione annuale è una delle firme previste di un segnale WIMP, e su questa base la collaborazione DAMA ha rivendicato un rilevamento positivo. Altri gruppi, tuttavia, non hanno confermato questo risultato. I dati CDMS resi pubblici nel maggio 2004 escludono l’intera regione del segnale DAMA date alcune ipotesi standard sulle proprietà dei WIMP e dell’alone di materia oscura, e questo è stato seguito da molti altri esperimenti (vedi Fig 2, a destra).
La collaborazione COSENO-100 (una fusione di gruppi KIMS e DM-Ice) ha pubblicato i loro risultati sulla replica del segnale DAMA/LIBRA a dicembre 2018 sulla rivista Nature; la loro conclusione è stata che “questo risultato esclude le interazioni WIMP–nucleone come causa della modulazione annuale osservata dalla collaborazione DAMA”.
Il futuro del rilevamento direttomodifica
Il decennio 2020 dovrebbe vedere l’emergere di diversi esperimenti di rilevamento diretto di massa multi-tonnellata, che sonderanno sezioni trasversali del nucleo WIMP ordini di grandezza inferiori all’attuale sensibilità allo stato dell’arte. Esempi di tali esperimenti di nuova generazione sono LUX-ZEPLIN (LZ) e XENÖNnT, che sono esperimenti allo xeno liquido multi-tonnellata, seguiti da DARWIN, un altro esperimento proposto di rilevamento diretto allo xeno liquido di 50 tonnes 100 tonnellate.
Tali esperimenti multi-tonnellata affronteranno anche un nuovo background sotto forma di neutrini, che limiterà la loro capacità di sondare lo spazio dei parametri WIMP oltre un certo punto, noto come il pavimento dei neutrini. Tuttavia, sebbene il suo nome possa implicare un limite duro, il pavimento del neutrino rappresenta la regione dello spazio dei parametri oltre la quale la sensibilità sperimentale può solo migliorare al meglio come radice quadrata dell’esposizione (il prodotto della massa del rivelatore e del tempo di esecuzione). Per le masse WIMP inferiori a 10 GeV la fonte dominante di sfondo del neutrino proviene dal Sole, mentre per le masse più alte lo sfondo contiene contributi dai neutrini atmosferici e dallo sfondo diffuso del neutrino della supernova.