Nuovo capitolo nella ricerca della materia oscura

XENON1T in Halle B del LNGS: a destra l'edificio, una struttura in acciaio con pareti di vetro, che ospita il trattamento dello xenon, il controllo dell'esperimento e la raccolta dei dati, a sinistra il grande serbatoio d'acqua, al centro del quale è installato il rivelatore. (© XENON Collaboration)

Montaggio del rivelatore XENON1T in camera bianca. (© Collaborazione XENON)

Nell'universo deve esserci cinque volte più Materia Oscura rispetto alla materia visibile che conosciamo. Tuttavia, si sa ancora poco sulla composizione di questa Materia Oscura. L'11.11.2015, un team internazionale di scienziati ha inaugurato presso il laboratorio sotterraneo del Gran Sasso in Italia lo strumento XENON1T, che apre un nuovo capitolo nella ricerca della Materia Oscura.

La Materia Oscura è una componente essenziale dell'universo e da decenni si cerca di individuarla tramite esperimenti di laboratorio. Tuttavia, fino ad oggi, la Materia Oscura è stata osservata solo indirettamente, attraverso la sua gravità, che domina tutti i movimenti di stelle e galassie. Gli indizi suggeriscono che la Materia Oscura sia composta da una forma sconosciuta di particelle elementari stabili, chiamate WIMPs, che finora sono sfuggite all'osservazione. I WIMPs sarebbero particelle fantasma simili ai neutrini, che sono stati postulati originariamente anche sulla base di indizi. "Supponiamo che circa centomila particelle di Materia Oscura attraversino ogni secondo la superficie di un'unghia", afferma il Prof. Manfred Lindner, direttore dell'Istituto Max-Planck per la Fisica Nucleare di Heidelberg. "La probabilità che interagiscano con gli atomi nel nostro rivelatore deve essere molto bassa – altrimenti le avremmo già trovate. Tuttavia, l'intervallo in cui i WIMPs dovrebbero essere visibili non è ancora stato esplorato completamente. Per questo abbiamo bisogno di XENON1T, uno strumento molto più sensibile, che penetri profondamente nell'intervallo in cui ci si attendono segnali rari." Il rivelatore è stato costruito dalla collaborazione internazionale XENON, composta da 21 gruppi di ricerca provenienti dagli Stati Uniti, Germania, Italia, Svizzera, Portogallo, Francia, Paesi Bassi, Svezia, Israele e Abu Dhabi, che oggi ha celebrato l'inaugurazione del suo nuovo strumento XENON1T.

La cerimonia con rappresentanti delle istituzioni finanziatrici e giornalisti si è svolta presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italia, uno dei più grandi laboratori sotterranei al mondo. Circa 80 ospiti si sono riuniti per la cerimonia nella sala B, lunga 110 m, larga 15 m e alta 15 m, del LNGS, proprio accanto allo strumento XENON1T. "Il nostro rivelatore si trova sotto 1400 metri di roccia per proteggerlo dalle radiazioni cosmiche", spiega il Prof. Uwe Oberlack dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz, indicando la posizione dello strumento. "Anche a questa profondità, abbiamo bisogno di una protezione che circonda l'esperimento, costituita da 750 metri cubi di acqua altamente pura, che indica le radiazioni cosmiche residue tramite piccole scintille luminose e schermano le radioattività circostanti." Durante l'evento introduttivo nel salone del LNGS, con altri ospiti, sono stati presentati la motivazione fisica, la strategia del progetto e la struttura del rivelatore attraverso conferenze.

Lottta contro le minime quantità di radioattività ambientale

Come rivelatore di Materia Oscura, XENON1T utilizza 3,5 tonnellate di xenon, un gas nobile, come liquido ultrapurissimo a -95 °C. "Per trovare le rare interazioni tra le particelle di Materia Oscura nel rivelatore, abbiamo bisogno di una grande quantità di materiale e di un'estrema purezza radioattiva", spiega il Prof. Christian Weinheimer dell'Università di Münster. "Altrimenti, non avremmo possibilità di distinguere i segnali autentici dal rumore di fondo." Per questo motivo, gli scienziati di XENON hanno esaminato attentamente tutti i materiali usati per costruire lo strumento, scegliendo quelli più puri. Aggiunge: "Oggetti completamente privi di radioattività non esistono; tracce minime di radioattività sono ovunque, nei metalli, nelle pareti del laboratorio e persino nel nostro corpo. Facciamo di tutto per ridurre al minimo queste contaminazioni radioattive."

I ricercatori di XENON misurano segnali di luce e carica estremamente deboli, dai quali ricostruiscono la posizione dell'interazione nel rivelatore e l'energia rilasciata. Solo i segnali provenienti dall'interno della prima tonnellata di xenon liquido sono considerati potenzialmente causati da particelle di Materia Oscura. La luce viene rilevata da 248 sensori ottici, così sensibili da poter rilevare singoli fotoni. Questi sensori sono collocati insieme al xenon liquido molto freddo in una grande "thermos", il criostato. La purificazione e la liquefazione del gas di xenon avvengono nell'edificio XENON, a tre piani, accanto alla grande vasca d'acqua. Al piano terra si trova una grande sfera di acciaio con tubazioni e valvole. "Questo sistema chiamato ReStoX può contenere 7,6 tonnellate di xenon, sia in forma gassosa che liquida", afferma Uwe Oberlack. "È più della quantità necessaria per XENON1T, ma vogliamo essere pronti a aumentare rapidamente la sensibilità del rivelatore in futuro, ampliandolo con una quantità maggiore di xenon."

Speranza di un segnale di Materia Oscura

"L'inaugurazione coincide con il completamento del nuovo strumento", afferma Christian Weinheimer, "e stiamo già testando le funzioni delle componenti. Quando sarà operativo, XENON1T sarà l'esperimento più sensibile al mondo nella ricerca della Materia Oscura." Si prevedono già i primi risultati per la primavera del 2016, poiché XENON1T supererà tutte le precedenti sperimentazioni già dopo una settimana di misure. Dopo due anni di raccolta dati, la capacità dello strumento sarà esaurita, come ha mostrato uno studio recentemente pubblicato. "Naturalmente vogliamo trovare la Materia Oscura", dice Manfred Lindner, "ma anche se dopo due anni troveremo solo alcuni indizi, saremo in una posizione eccellente, perché potremo rapidamente espandere lo strumento a XENONnT, per coprire anche le ultime aree dei WIMP." La infrastruttura esistente è in gran parte sufficiente a questo scopo.

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Alla collaborazione internazionale XENON partecipano, dalla Germania, l'Istituto Max-Planck per la Fisica Nucleare (MPIK) di Heidelberg, l'Università Johannes Gutenberg di Mainz e l'Università di Münster. La selezione e il controllo dei materiali del rivelatore con radioattività estremamente bassa, lo sviluppo e il test dei sensori di luce, così come il target di xenon, sono responsabilità del MPIK. Il gruppo dell'Università di Mainz si occupa del rivelatore di muoni. È inoltre coinvolto nel sistema innovativo di stoccaggio del xenon ReStoX e nel rivelatore interno. I ricercatori dell'Università di Münster sono responsabili della purificazione del xenon e hanno sviluppato il ciclo di purificazione e un sistema di distillazione a temperatura molto bassa unico nel suo genere. Tutti e tre gli istituti parteciperanno alla raccolta e analisi dei dati, nonché alla calibrazione.

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Contatto:

Istituto Max-Planck per la Fisica Nucleare:
Prof. Dr. Manfred Lindner
Tel.: 06221 516 800
Fax: 06221 516 802
Email: lindner (at) mpi-hd.mpg.de

Università Johannes Gutenberg di Mainz:
Prof. Dr. Uwe Oberlack
Tel.: 06131 3925167
Fax: 06131 3925169
Email: oberlack (at) uni-mainz.de

Università di Münster:
Prof. Dr. Christian Weinheimer
Tel.: 0251 8334971
Fax: 0251 8334962
Email: weinheim (at) uni-muenster.de