I fisici spiegano ai giornalisti il funzionamento del rivelatore LUX durante la cerimonia del 30 Maggio 2012. Credit: Sanford Underground Research Facility
L’esperimento LUX (Large Underground Xenon), situato a circa 1,5 chilometri sottoterra presso la Sanford Underground Research Facility (SURF) nella regione delle Black Hills (South Dakota, USA), si è già dimostrato essere il rivelatore più sensibile del mondo per lo studio della materia oscura. Oggi, nuove tecniche di calibrazione messe a punto dai ricercatori che lavorano all’esperimento ha permesso di migliorare decisamente la sua sensibilità. I risultati di questo studio sono riportati su Physical Review Letters.
Sappiamo che la materia oscura domina il contenuto di tutta la materia presente nell’Universo. Gli scienziati credono nella sua esistenza in quanto essa agisce tramite la gravità e nel modo con cui la luce viene distorta quando essa viaggia nello spazio. Uno degli obiettivi dell’esperimento LUX è quello di rivelare le famigerate WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles), particelle ipotetiche che sono quelle maggiormente candidate per la materia oscura. «È di vitale importanza spingere le capacità del nostro rivelatore verso la ricerca delle WIMPs», spiega Rick Gaitskell della Brown University e co-portavoce dell’esperimento LUX. «Non solo, ma per catturare anche eventuali particelle di materia oscura più ‘leggere’, abbiamo dovuto migliorare la sensibilità del rivelatore di un fattore superiore a 20». Lo studio riesamina i dati raccolti durante i primi tre mesi di esperimenti che sono stati condotti nel 2013 e fa il punto sulla possibilità di escludere eventuali osservazioni di particelle candidate su intervalli di massa inferiore, dove cioè altri esperimenti hanno in precedenza riportato dei potenziali segnali.
«Abbiamo cercato particelle di materia oscura durante i primi tre mesi dell’esperimento e stiamo studiando nuove tecniche di calibrazione per meglio identificare come eventuali particelle potrebbero apparire sul nostro rivelatore», dice Alastair Currie dell’Imperial College London. «Queste calibrazioni ci hanno permesso di approfondire come si comporta lo xeno quando interagisce con le particelle di materia oscura, tenendo conto del rumore di fondo. Ciò ci permette di identificare, con un miglior livello di confidenza, potenziali particelle che prima non sapevamo fossero visibili dal rivelatore LUX».
LUX consiste di un terzo di tonnellata di xeno liquido circondata da rivelatori sensibili alla luce. L’esperimento è stato concepito per catturare eventi rari in cui una particella di materia oscura entra in collisione con un atomo di xeno all’interno del rivelatore. Nel momento in cui avviene una interazione, l’atomo di xeno rinculerà emettendo un piccolissimo lampo di luce che viene registrato dai rivelatori di LUX sensibili alla luce. La posizione sotterranea del rivelatore, situato presso i laboratori Sanford a circa 1,5 chilometri di profondità, fa sì che sia schermato dai raggi cosmici e da altre radiazioni che potrebbero interferire con il segnale di materia oscura.
Il rivelatore allo xeno di LUX durante una fase di calibrazione. Crediti: Matt Kapust/Sanford Underground Research Facility
Finora, LUX non ha registrato alcun segnale interessante ma la sua eccezionale sensibilità ha permesso agli scienziati di escludere diversi intervalli di massa dove potrebbero risiedere le particelle candidate. Tuttavia, grazie a queste nuove calibrazioni la sensibilità del rivelatore è aumentata ancora di più. Una delle tecniche di calibrazione che sono state testate si è basata sull’uso dei neutroni come “sostituti” delle particelle della materia oscura. Facendo rimbalzare i neutroni dagli atomi di xeno, gli scienziati hanno potuto quantificare la risposta del rivelatore LUX al processo di rinculo. «È un po’ come un gigantesco gioco da biliardo», fa notare Gaitskell. «Possiamo seguire il neutrone per determinare i parametri del rinculo relativi all’atomo di xeno e calibrare la risposta del rivelatore meglio di qualunque altra cosa che sia stata fatta prima».
Si ritiene che il tipo di interazione tra i neutroni e gli atomi di xeno sia molto simile a quello tra le particelle di materia oscura e gli atomi di xeno. «Le particelle di materia oscura interagiscono davvero molto debolmente, circa un milione di milione di milione di milione di volte più debolmente», dice Gaitskell. Gli esperimenti con i neutroni hanno permesso di calibrare il rivelatore per quanto riguarda le interazioni con il nucleo del xeno. Ma i ricercatori hanno anche calibrato la risposta del rivelatore in termini dell’emissione di minime quantità di energia una volta che gli elettroni atomici vengono colpiti. Ciò viene fatto iniettando nel rivelatore un gas radioattivo, come il metano triziato, che fornisce agli scienziati un certo livello di confidenza per fare in modo che gli eventi spuri non vengano confusi con quelli veri riconducibili alle particelle di materia oscura.
LUX opera a circa 1,5 Km sottotetta, dove viene schermato dai raggi cosmici e da altre forme di radiazione. Credit: C. H. Faham
Un altro gas radioattivo, il krypton, è stato iniettato nel rivelatore per cercare di distinguere i segnali prodotti dalla radioattività ambientale da quelli dovuti ad un potenziale segnale associato alla materia oscura. «Il krypton si miscela uniformemente al xeno liquido ed emette radiazione con una nota, specifica energia ma poi decade rapidamente in un isotopo stabile e non radioattivo», dice Dan McKinsey della University of California a Berkeley e co-portavoce dell’esperimento LUX, affiliato al Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL). «Misurando la luce e la carica prodotti da questi eventi associati al krypton attraverso lo xeno liquido, possiamo definire la risposta del rivelatore, il che permette una migliore separazione degli eventi associati alla materia oscura da quelli dovuti alla radioattività naturale».
Le migliorie apportate a LUX, assieme alle simulazioni numeriche realizzate presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del LBNL e il Center for Computation and Visualization (CCV) della Brown University, hanno permesso di testare ulteriori modelli della materia oscura che ora possono essere esclusi dalla ricerca. “La caccia continua”, dice McKinsey. «LUX è nuovamente in modalità operativa. L’ultimo esperimento è iniziato verso la fine del 2014 e si prevede che continui fino al mese di Giugno del 2016. Queste modifiche rappresenteranno un passo in avanti in termini di esposizione che sarà più di quattro volte rispetto all’esperimento precedente del 2013. Saremo certamente molto emozionati se qualche particella di materia oscura si sarà mostrata nei nuovi dati».
I rivelatori di LUX sono così sensibili che possono ‘vedere’ un singolo fotone. Credit: LUX/Brown University
Nel frattempo, ai laboratori Sanford sono già pronti per il passo successivo. Infatti, verso la fine del 2016, LUX sarà decommissionato per lasciar posto ad un nuovo e più grande rivelatore, noto come LUX-ZEPLIN (LZ). Rispetto all’esperimento LUX, il successore avrà 10 tonnellate di xeno liquido che saranno comunque disposte nello stessa cisterna contenente 72 mila galloni di acqua pura utilizzate da LUX. «L’obiettivo di LZ è quello di arrivare ad una sensibilità 100 volte superiore a quella ottenuta da LUX”, conclude Harry Nelson della University of California a Santa Barbara, portavoce di LZ. “L’esperimento LZ sarà così sensibile che dovrebbe iniziare a rivelare un tipo di neutrino che si origina nel Sole e che persino l’esperimento vincente del Premio Nobel Ray Davis, situato nella miniera di Homestake, non è stato in grado di rivelare».
Per saperne di più:
- Leggi il preprint su arXiv: Tritium calibration of the LUX dark matter experiment