Un contributo innovativo nella ricerca della materia oscura potrebbe arrivare dallo sviluppo di dispositivi basati su proprietà quantistiche. Interessanti progressi in questo settore, nel quale è impegnato anche l`INFN, sono stati recentemente ottenuti nell`ambito delle attività promosse da SQMS (Superconducting Quantum Materials and Systems Center), il centro del Fermilab finanziato dal Dipartimento dell`Energia degli Stati Uniti (DOE) e dedicato alla ricerca di nuove tecnologie per il quantum computing e il quantum sensing. Uno studio, pubblicato il 9 maggio sulla rivista Physical Review Applied e guidato dall`INFN – unico partner non statunitense di SQMS – dimostra come le prestazioni degli aloscopi – sensori dedicati alla rivelazione di una particolare categoria di particelle candidate a costituire la materia oscura, gli assioni – possano essere incrementate grazie all`utilizzo di nuove tipologie di cavità risonanti nelle microonde con un`alta sensibilità.
Introdotto a partire dagli anni `70 nel contesto del problema della violazione della simmetria di carica e parità nelle interazioni forti, – informa l’INFN – l`assione si è rivelato anche un buon candidato per la materia oscura per la sua massa estremamente ridotta e la sua limitata capacità d`interazione con la materia ordinaria. Proprio per sondare l`esistenza di queste particelle, nel 1982, il fisico teorico Pierre Sikivie, ideò e propose una specifica tipologia di dispositivi chiamati aloscopi perché sondano l`alone di materia oscura della nostra galassia, che avrebbero avuto in seguito un`ampia diffusione e vengono oggi sviluppati in vari laboratori in Europa, Stati Uniti, Corea del Sud e Australia. “Se degli assioni venissero rivelati in un aloscopio, sarebbero convertiti in fotoni all`interno di cavità risonanti in presenza di un campo magnetico molto intenso, la cui ampiezza è milioni di volte quella del campo magnetico terrestre”, spiega Giovanni Carugno, ricercatore della sezione INFN di Padova e responsabile del laboratorio in cui è stato condotto il lavoro. Tra le sfide su cui gli scienziati si stanno concentrando per tentare di aumentare le probabilità di rivelare tracce di assioni c`è la ricerca di soluzioni per migliorare la sensibilità degli aloscopi connessa al parametro denominato `fattore di merito`, rendendoli capaci di esplorare frequenze più elevate di quelle sondate finora.
A tal fine, la strategia adottata dai gruppi del Fermilab e dell`INFN che lavorano a SQMS è quella di puntare a incrementare l`efficienza del processo di conversione assione-fotone attraverso due approcci paralleli: da un lato l`adozione di materiali superconduttori e dall`altro lo sviluppo di risuonatori dielettrici. “La cavità risonante oggetto del nostro studio”, spiega Caterina Braggio, ricercatrice dell`Università di Padova associata alla sezione di Padova dell`INFN e corresponding author dell`articolo pubblicato su Physical Review Applied, “è stata realizzata inserendo due gusci di materiale dielettrico in una cavità cilindrica convenzionale in rame. Questa particolare geometria di cavità consente di sopprimere l`emissione di fotoni da parte delle pareti della cavità stessa, limitando in questo modo i processi dissipativi è ottenendo quindi elevati fattori di merito”. Nonostante il prototipo descritto nel lavoro sia caratterizzato da un volume ridotto, i risonatori dielettrici che l`INFN sta sviluppando avranno un forte impatto nella comunità scientifica che lavora allo sviluppo di rivelatori di assioni. “Grazie a un`adeguata progettazione dei gusci dielettrici, questi risuonatori dielettrici potranno sondare range di masse interessanti in intervalli di tempo ragionevoli”, conclude Caterina Braggio.
