Nuovo esperimento verifica segnali controversi di materia oscura

Nel locale sterile: Karoline Schäffner e il suo team completano i lavori sul criostato. (Foto: Collaborazione COSINUS)

Struttura schematica dell'esperimento COSINUS (Disegno: Collaborazione COSINUS) / Configurazione dell'esperimento COSINUS (Disegno: Collaborazione COSINUS)

Un team di scienziati e tecnici durante l'installazione del criostato. (Foto: Collaborazione COSINUS) / A team of scientists and technicians are installing the cryostat. (Photo: COSINUS Collaboration)

Il rivelatore: un cristallo di ioduro di sodio - lo stesso materiale dell'esperimento DAMA/LIBRA. (Foto: Collaborazione COSINUS) / The detector: A crystal of sodium iodide - the same material as in the DAMA/LIBRA experiment. (Photo: COSINUS Collaboration)

In Italia è stato inaugurato il 18 aprile 2024 un grande esperimento per la rilevazione della Materia Oscura. COSINUS è un progetto di ricerca internazionale, a cui partecipa anche un team dell'Istituto Max Planck per la Fisica (MPP).

La natura della Materia Oscura rappresenta ancora oggi una delle grandi domande della fisica moderna. Secondo le conoscenze attuali, la Materia Oscura invisibile costituisce l'85 percento della massa totale dell'universo. Nel laboratorio sotterraneo italiano del Gran Sasso (INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso) oggi entra in funzione l'esperimento COSINUS*. Il progetto di ricerca mira a verificare se un altro esperimento (DAMA/LIBRA) abbia effettivamente misurato segnali di Materia Oscura – o meno. COSINUS è una collaborazione tra TU Vienna, l'Istituto di Fisica delle Alte Energie dell'ÖAW, l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italia), l'Helsinki Institute of Physics (Finlandia) e il MPP.

Per il progetto COSINUS è stato sviluppato uno strumento speciale. Si tratta di un cristallo raffreddato a temperature estremamente basse, per poter misurare con alta precisione l'energia delle particelle. Se la Materia Oscura è composta da particelle finora sconosciute, la Terra dovrebbe entrare in collisione con queste particelle nel suo percorso attraverso lo spazio. Queste collisioni potrebbero essere rilevate dal dispositivo di misurazione.

L'esperimento DAMA/LIBRA ha raccolto dati che sono compatibili con questa ipotesi, ma sono controversi, poiché finora non è stata confermata da un altro esperimento.

La Terra si muove attraverso una nebbia di Materia Oscura?

Se la Materia Oscura fosse realmente rilevabile, le misurazioni varerebbero nel corso dell'anno. Perché? Il Sole e tutti i suoi pianeti – quindi anche la Terra – si muovono con una velocità di circa 220 chilometri al secondo intorno al centro della Via Lattea. La Terra, a sua volta, orbita intorno al Sole a circa 30 chilometri al secondo, completando un giro in un anno. Per metà dell'anno, la Terra si muove nella stessa direzione del Sole, negli altri sei mesi nella direzione opposta.

"Se la nostra galassia è attraversata da particelle di Materia Oscura, la Terra si muoverebbe più velocemente, poi più lentamente, attraverso questa 'nebbia'", spiega la scienziata del MPP Karoline Schäffner, responsabile tecnica di COSINUS. "La situazione è come un viaggio in auto sotto la pioggia: più veloce andiamo, più gocce di pioggia colpiscono il parabrezza. Ci aspettiamo quindi di rilevare quantità diverse di Materia Oscura in momenti diversi."

Proprio questo risultato è stato ottenuto dall'esperimento DAMA/LIBRA, in funzione dal 1995: si è effettivamente rilevato un segnale la cui intensità variava regolarmente nel corso dell'anno – un'indicazione di Materia Oscura. Tuttavia, altri esperimenti non sono riusciti a ripetere questi risultati.

La mancanza di conferme da parte di altri esperimenti preoccupa la comunità scientifica internazionale da anni. "Con il nostro nuovo progetto, c'è la possibilità di risolvere questo enigma", afferma Karoline Schäffner. "Nel nostro rivelatore utilizziamo il NaI, lo stesso materiale dell'esperimento DAMA/LIBRA, per poter confrontare i risultati. La nostra configurazione offrirà però una precisione molto superiore."

Calore e luce

Nel esperimento DAMA/LIBRA, viene misurata solo la luce, non il calore. Esistono già altri due esperimenti con cui gli scienziati stanno lavorando per riprodurre i risultati di DAMA/LIBRA. Come l'originale, entrambi rilevano solo la luce – a differenza di COSINUS, che è progettato per due segnali diversi.

Il cuore di COSINUS è un criostato – una sorta di frigorifero per temperature estremamente basse – in cui un cristallo di NaI può essere raffreddato a 1-2 centesimi di grado sopra lo zero assoluto (-273 gradi Celsius). Se questo cristallo viene colpito da particelle di Materia Oscura, si verificano due reazioni nel rivelatore: in primo luogo, gli atomi del cristallo vengono messi in vibrazione – la struttura cristallina inizia a oscillare e si riscalda. L'energia termica assorbita può essere misurata con estrema precisione. In secondo luogo, nel cristallo si genera anche luce, che COSINUS può "vedere" anch'essa.

Particelle conosciute o sconosciute?

L'analisi di due segnali fornisce anche indicazioni su quali particelle si tratti. "Questo è importante, perché non ogni segnale rilevato in un tale rivelatore è un'indicazione di Materia Oscura", spiega Karoline Schäffner. "Può trattarsi, ad esempio, di elettroni comuni, prodotti dalla radioattività naturale. Oppure di neutroni, generati da particelle cosmiche."

Per scoprire segnali di Materia Oscura, i ricercatori devono schermare il cristallo il più efficacemente possibile da qualsiasi rumore di fondo. Per questo motivo, l'esperimento è ben protetto all'interno di un massiccio montuoso, nel più grande laboratorio sotterraneo del mondo: negli INFN Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN-LNGS, Italia), a circa cento chilometri da Roma. Sotto 1.400 metri di roccia, un sistema di tunnel ospita numerosi esperimenti altamente sensibili – anche l'esperimento DAMA/LIBRA è installato lì. Inoltre, i rivelatori sono collocati in un serbatoio alto sette metri, riempito con acqua altamente pura.

Il progetto COSINUS sarà inaugurato l'18 aprile 2024 presso l'INFN-LNGS. I primi risultati delle misurazioni sono attesi per il 2025/26.

* Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches