Credits: Dan Bauer, Fermilab

Corsa contro il tempo

A febbraio e marzo, tre partite di lastre di rame sono arrivate al Fermilab e sono state portate in fretta e furia in un deposito sotterraneo a 100 metri di profondità. Il rame era stato estratto in Finlandia, avvolto in lastre in Germania e spedito via terra e via mare al laboratorio – il tutto in 120 giorni.

Nella ricerca spasmodica di individuare la materia oscura, la misteriosa sostanza che costituisce l’85% della materia dell’universo, ogni giorno che questo rame trascorreva in superficie era importante e il motivo è presto detto: “Sulla superficie della Terra siamo in una pioggia di raggi cosmici“, ha detto lo scienziato del Fermilab Dan Bauer.

Quando queste particelle ad alta energia provenienti dallo spazio colpiscono un atomo di rame, possono mettere fuori combattimento protoni e neutroni per produrre un altro atomo chiamato cobalto-60. Il cobalto-60 è radioattivo, il che significa che è instabile e decade spontaneamente in altre particelle. Il numero minuscolo di atomi di rame convertiti in cobalto non ha alcun impatto sugli usi quotidiani del rame. Ma Bauer e altri che lavorano alla Super Cryogenic Dark Matter Search devono prendere misure drastiche per garantire che il rame che usano sia il più puro possibile.

Alla ricerche delle WIMP

L’ultimo di una serie di esperimenti simili, SuperCDMS, cercherà la materia oscura presso SNOLAB, un laboratorio sotterraneo vicino a Sudbury, Ontario, Canada. Le lastre di rame alla fine prenderanno la forma di sei lattine di soda sovradimensionate disposte come bambole nidificanti. La lattina più interna ospiterà dispositivi al germanio e al silicio progettati per rilevare ipotetiche weakly interacting massive particles (particelle massicce che interagiscono debolmente), o WIMP, specialmente quelle con meno di 10 volte la massa di un protone. La lattina più esterna sigillata sotto vuoto misurerà un po’ più di un metro di diametro. L’intero aggeggio, chiamato SNOBOX, sarà collegato tramite una serie di steli di rame ad un frigorifero speciale che raffredderà i rivelatori ad una minuscola frazione di grado sopra lo zero assoluto.

A temperature così rigide, le vibrazioni termiche sono così piccole che un WIMP potrebbe lasciare un segnale rilevabile in caso di collisione con un atomo.

Ma “si cerca un ago in un pagliaio con materia oscura“, ha detto Bauer. “Il meglio che si potrà otterre è forse qualche evento all’anno“.

Isolamento dalle particelle ordinarie

Nel frattempo, particelle di materia ordinaria che volano attraverso i rivelatori del SuperCDMS potrebbero produrre firme estranee, note come background, che affogherebbero i segnali delle interazioni di materia oscura.

Credits:SuperCDMS collaboration

Costruendo SuperCDMS due chilometri sottoterra e ricoprendo lo SNOBOX con strati di piombo, plastica e acqua, si schermano quasi tutte le particelle indesiderate presenti nell’ambiente. Ma nulla si frappone tra le lattine di rame e i rivelatori. E mentre la superiore capacità del rame di trasportare il calore lo rende ideale per raffreddare i rivelatori, qualsiasi impurità radioattiva nel metallo emetterebbe particelle di fondo.

Rame puro

Questo ci riporta al cobalto-60.

Il punto è che più a lungo il rame rimane sulla superficie esposta ai raggi cosmici, più cobalto-60 viene creato“, ha spiegato Matthew Hollister di Fermilab, il manager del sistema criogenico SuperCDMS. “Quindi parte del budget di base dell’esperimento include un limite di tempo per l’esposizione in superficie“.

Il Cobalto-60 non è l’unica impurità di cui preoccuparsi. Gli isotopi radioattivi di uranio, torio e potassio si trovano naturalmente nella crosta terrestre, quindi il team SuperCDMS ha dovuto acquistare rame proveniente da una miniera con il minor numero possibile di questi metalli. Anche le impurità non radioattive sono importanti – possono diminuire la capacità del rame di condurre il calore, rendendo così più difficile mantenere freddi i rivelatori. In totale, il rame per SuperCDMS deve essere puro oltre il 99,99% con meno di 0,1 parti per miliardo di impurità radioattive.

Eliminare contaminazioni

Tra le impurità intrinseche e quelle introdotte attraverso il taglio, la laminazione e il trasporto del rame, le lastre che ora si trovano sottoterra al Fermilab non sono del tutto incontaminate.

Molto di questo processo è un qualcosa su cui non abbiamo un controllo diretto“, ha detto Hollister. “Una parte di esso è davvero uno sparo nel buio su quello che finiremo per fare alla fine della giornata“.

Credits: Luke Martin, Fermilab

Dopo aver ricevuto le lastre, i ricercatori hanno inviato dei campioni al Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per un test dettagliato per quantificare le impurità rimanenti. Presto le lastre lasceranno il Fermilab per la fabbricazione, e l’orologio di cobalto continuerà a ticchettare ancora una volta fino a quando le lattine non raggiungeranno la loro casa a SNOLAB.

Una soluzione di perossido di idrogeno e acido cloridrico diluito rimuoverà le impurità superficiali che si sono accumulate nel processo di fabbricazione. E una soluzione di acido citrico debole manterrà l’alta conducibilità termica del rame proteggendolo dall’ossidazione nel corso dell’esperimento.

L’ultimo passo prima di portarle sottoterra sarà quello di spruzzarle con un’incisione all’acido che toglierà alcune decine di micron dalla superficie“, ha detto Bauer.

Raccolta dati nel 2022

La collaborazione SuperCDMS prevede di iniziare a raccogliere dati nel 2022. Tutto sommato, questa iterazione dell’esperimento punta a livelli di fondo 100 volte inferiori rispetto al suo predecessore, grazie in gran parte alla purezza del rame. Con l’aumento della sensibilità, i ricercatori sperano di individuare eventuali WIMP a bassa massa che potrebbero trovarsi nelle vicinanze.

Questo programma è in fase di sviluppo da molto tempo, quindi è bello vedere che sta cominciando a prendere forma“, ha detto Hollister. “Lo SNOBOX è davvero l’ultimo pezzo importante, quindi non vediamo l’ora di installarlo e renderlo operativo il prima possibile”.

La ricerca SuperCDMS sulla materia oscura è supportata dall’Office of Science del DOE e dalla National Science Foundation, oltre che dalla Canada Foundation for Innovation e da SNOLAB.