Nel vasto panorama della cosmologia contemporanea, una delle sfide più affascinanti riguarda la natura invisibile dell'universo. Circa il 95% del cosmo è costituito da materia oscura ed energia oscura, componenti che non emettono, assorbono o riflettono luce, rendendosi di fatto impossibili da osservare direttamente. Solo un misero 5% corrisponde alla materia ordinaria che compone stelle, pianeti e tutto ciò che possiamo vedere. Comprendere questa maggioranza nascosta rappresenta uno degli obiettivi prioritari della fisica fondamentale, un enigma che richiede tecnologie di rilevamento sempre più sofisticate e sensibili.
Il dottor Rupak Mahapatra, fisico sperimentale delle particelle presso la Texas A&M University, si trova in prima linea in questa ricerca. Il suo gruppo sta sviluppando rivelatori a semiconduttore di ultima generazione dotati di sensori quantistici criogenici, strumenti capaci di identificare interazioni talmente rare da verificarsi forse una volta all'anno, o persino una volta ogni dieci anni. Questi dispositivi rappresentano il cuore tecnologico di esperimenti internazionali dedicati alla caccia delle particelle che potrebbero costituire la materia oscura.
La metafora utilizzata da Mahapatra per descrivere la condizione attuale della scienza è efficace: "È come cercare di descrivere un elefante toccandone solo la coda. Percepiamo qualcosa di massiccio e complesso, ma stiamo afferrando solo una minuscola parte". I risultati del suo lavoro sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Applied Physics Letters, testimoniando l'impatto delle sue innovazioni nel campo della fisica sperimentale.
La materia oscura costituisce circa il 27% dell'energia totale dell'universo e rappresenta la maggior parte della massa contenuta nelle galassie e negli ammassi galattici. La sua presenza è fondamentale per spiegare come queste strutture mantengano la propria coesione: senza di essa, le galassie si disintegrerebbero a causa della velocità di rotazione. L'energia oscura, invece, rappresenta ben il 68% dell'energia cosmica ed è responsabile dell'espansione accelerata dell'universo, un fenomeno scoperto alla fine degli anni Novanta che ha rivoluzionato la cosmologia moderna.
Gli scienziati studiano questi componenti invisibili attraverso i loro effetti gravitazionali. La materia oscura agisce come una sorta di collante cosmico, mantenendo unite le strutture su larga scala, mentre l'energia oscura funziona come una forza repulsiva che fa espandere lo spazio stesso a velocità crescente. Tuttavia, identificare direttamente le particelle che potrebbero costituire la materia oscura rimane una sfida tecnologica formidabile.
Il gruppo di Mahapatra ha contribuito a TESSERACT, uno dei principali esperimenti globali di ricerca della materia oscura. La Texas A&M University fa parte di un ristretto gruppo di istituzioni coinvolte in questo progetto internazionale. L'approccio del team si basa sull'amplificazione di segnali estremamente deboli, precedentemente sepolti nel rumore di fondo, attraverso tecniche innovative di rilevamento.
L'esperienza di Mahapatra affonda le radici in SuperCDMS, un esperimento al quale contribuisce da venticinque anni e che ha condotto alcune delle ricerche più sensibili al mondo sulla materia oscura. Nel 2014, Mahapatra e i suoi collaboratori hanno pubblicato su Physical Review Letters un articolo fondamentale che introduceva la rilevazione ionizzante calorimetrica assistita da tensione nell'esperimento SuperCDMS. Questa innovazione ha permesso di studiare le WIMP a bassa massa (Weakly Interacting Massive Particles), uno dei candidati più promettenti per spiegare la natura della materia oscura.
Le WIMP sono particelle ipotetiche che interagirebbero solo attraverso la gravità e la forza nucleare debole, caratteristiche che spiegano perché siano così difficili da identificare. Potrebbero attraversare l'intera Terra senza lasciare alcuna traccia, rendendo necessari anni di raccolta dati per identificare anche solo un singolo evento. Gli esperimenti come SuperCDMS e TESSERACT utilizzano rivelatori ultrasensibili raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto per catturare queste rarissime interazioni con la materia ordinaria.
Nel 2022, Mahapatra ha co-firmato uno studio che esamina molteplici strategie per individuare le WIMP, includendo la rilevazione diretta, quella indiretta e le ricerche tramite collisori di particelle. Il lavoro sottolinea come nessun singolo esperimento possa fornire tutte le risposte, evidenziando l'importanza di combinare approcci differenti per ricostruire il quadro completo.
