L’esperimento Xenon1T nei Laboratori nazionali del Gran Sasso. Crediti: Roberto Corrieri e Patrick De Perio
«I migliori risultati sulla materia oscura fino ad ora, ed è solo l’inizio!», così Elena Aprile, professoressa alla Columbia University e coordinatore internazionale di Xenon1T, commenta a nome di tutta la collaborazione i primi risultati dell’esperimento, in acquisizione dati ai Laboratori nazionali del Gran Sasso (Lngs) dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn), i più grandi laboratori sotterranei al mondo dedicati alla fisica astroparticellare. I risultati, ottenuti con una breve misura di 30 giorni e presentati oggi 18 maggio alla comunità scientifica, consentono a Xenon1T di potersi affermare come il più sensibile esperimento al mondo per la ricerca diretta di materia oscura. In particolare per la ricerca delle cosiddette Wimp (Weakly Interacting Massive Particle, particelle massive che interagiscono debolmente), che sono tra i candidati favoriti per costituire le particelle di materia oscura. «Le Wimp non sono apparse in questa prima ricerca con Xenon1T ma, in effetti, non ce le aspettavamo così presto. La notizia più importante – prosegue Aprile – è che l’esperimento sta continuando ad acquisire dati eccellenti, che ci permetteranno di verificare se l’ipotesi della materia oscura sia corretta in regioni di massa e probabilità di interazione mai verificate prima. È appena iniziata con Xenon1T una nuova fase nella corsa per rivelare la materia oscura sulla Terra con rivelatori di grande massa e di bassa radioattività. E noi siamo fieri di essere in prima linea in questa corsa, grazie a questo fantastico rivelatore, il primo del suo genere», conclude Aprile.
La materia oscura è uno dei costituenti dell’universo, cinque volte più abbondante della materia ordinaria, di cui è fatto tutto ciò che conosciamo. Molte osservazioni astrofisiche hanno irrobustito l’ipotesi dell’esistenza della materia oscura, portando a uno sforzo mondiale per cercare di osservare direttamente le interazioni delle particelle di materia oscura con quelle di materia ordinaria, utilizzando rivelatori estremamente sensibili che possano confermare la sua esistenza e chiarire le sue proprietà. Queste interazioni, comunque, sono talmente rare e flebili da aver impedito fino ad ora una loro rivelazione diretta, costringendo gli scienziati a costruire rivelatori sempre più grandi e sensibili. La collaborazione Xenon, che con Xenon100 ha guidato il settore per anni in passato, è tornata adesso in prima fila con Xenon1T. I risultati ottenuti con una prima breve misura di 30 giorni mostrano che il rivelatore ha il più basso livello di radioattività mai raggiunto, di molti ordini di grandezza inferiore a quello dei materiali che lo circondano sulla Terra. Con una massa totale di circa 3200 kg, Xenon1T è allo stesso tempo il più grande rivelatore di questo tipo mai realizzato. La combinazione dell’aumento significativo della massa del rivelatore con un minore fondo di contaminazione del possibile segnale di interazione della materia oscura permette di avere una eccellente possibilità di scoperta negli anni a venire.
L’esperimento è costituito da un gigantesco contenitore metallico cilindrico, riempito di acqua ultra pura per schermare il rivelatore posto al suo centro. Il rivelatore cuore di Xenon1T, la cosiddetta ‘camera a proiezione temporale’, è composto di xenon liquido e si trova all’interno di un criostato al centro del contenitore di acqua, completamente sommerso, in modo da essere schermato il più possibile dalla radioattività naturale della roccia. Accanto all’esperimento, è allestito un edificio trasparente a tre piani, al cui interno si trovano tutte le attrezzature che servono a mantenere in funzione il rivelatore, e dove lavorano fisici di tutto il mondo. La collaborazione scientifica Xenon consiste di 135 ricercatori da Usa, Germania, Italia, Svizzera, Portogallo, Francia, Paesi Bassi, Israele, Svezia ed Emirati Arabi Uniti.
L’ultimo rivelatore della famiglia Xenon, Xenon1T appunto, è in acquisizione dati ai Laboratori nazionali del Gran Sasso, in Abruzzo, dall’autunno del 2016. La montagna che sovrasta i Laboratori sotterranei fa da ulteriore schermo al rivelatore, evitando che sia perturbato dai raggi cosmici, particelle che provengono dallo spazio e che cadono incessantemente sulla Terra. Ma la schermatura dal mondo esterno non è sufficiente perché tutti i materiali sulla Terra contengono minuscole tracce di radioattività naturale. È stata quindi posta molta cura nel cercare, selezionare e manipolare i materiali che costituiscono il rivelatore, in modo da ottenere il minor contenuto di radioattività possibile. «Tutto ciò ha permesso a Xenon1T di ottenere un livello record di ‘silenzio’, indispensabile per udire con un grande rivelatore la debolissima voce della materia oscura», spiega Marco Selvi, ricercatore Infn di Bologna e responsabile nazionale dell’Infn in Xenon. L’interazione di una particella nello xenon liquido produce dei piccoli lampi di luce. Questo è ciò che gli scienziati registrano e studiano per misurare la posizione e l’energia delle particelle che hanno interagito, e capire se sono di materia oscura o meno.
I gruppi dell’Infn, provenienti dalle sezioni di Bologna e Torino e dai Lngs, guidati rispettivamente da Gabriella Sartorelli, Giancarlo Trinchero e Walter Fulgione, fanno parte del progetto Xenon1T fin dal suo inizio nel 2009. Sono responsabili del progetto, della costruzione e del funzionamento del sistema di veto di muoni, all’interno dello schermo di acqua, che è cruciale per la riduzione dei fondi ambientali e di quelli dovuti alla radiazione cosmica residua. Essi hanno inoltre progettato e realizzato le varie infrastrutture presso i Lngs, e guidano il gruppo di simulazione Monte Carlo del rivelatore, per la predizione e ottimizzazione delle prestazioni del rivelatore, e per il calcolo delle varie sorgenti di fondo. I gruppi italiani sono anche coinvolti in diversi aspetti dell’analisi dati che ha portato a questi primi risultati di Xenon1T.
Nonostante la breve durata della prima misura, la sensibilità di Xenon1T ha già superato quella di tutti gli altri esperimenti del settore, permettendo di cercare la materia oscura in regioni ancora inesplorate.
Per saperne di più:
- Leggi il preprint dell’articolo “First Dark Matter Search Results from the XENON1T Experiment“, di E. Aprile et al.