WIMP, caccia aperta alla materia oscura con XENON1T

APPRONDIMENTO – La caccia alla materia oscura segna un nuovo passo in avanti grazie all’esperimento XENON1T situato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). L’obiettivo del più grande rivelatore mai realizzato è individuare le interazioni della materia ordinaria con le WIMP, Weakly Interacting Massive Particles, particelle massive che interagiscono debolmente. Sono le candidate più promettenti alla costituzione di questa forma invisibile di materia.

Il 28 maggio l’esperimento ha annunciato di aver fissato un nuovo limite più stringente per osservare le interazioni; se avrà successo, si tratterà di un’evidenza diretta dell’esistenza della materia oscura, che rappresenta il 27% dell’universo contro appena il 5% della materia ordinaria.

Il contributo italiano in prima linea. L’esperimento è stato progettato dai gruppi INFN coordinati da Marco Selvi, della sezione di Bologna, e guidati da Gabriella Sartorelli (Università e Sezione INFN di Bologna), Walter Fulgione (LNGS) e Giancarlo Trinchero (Sezione INFN di Torino) a partire dal 2009.  La collaborazione internazionale, guidata da Elena Aprile della Columbia University, ora sta dando i suoi frutti e i nuovi dati sono stati sottoposti alla rivista Physical Review Letters per la pubblicazione, come essa stessa ha spiegato:

“I dati osservati dall’esperimento  sono in accordo con le previsioni del piccolo fondo atteso, vale a dire quegli eventi simili a un’interazione di particelle di materia oscura ma dovuti invece a particelle di natura nota, che dobbiamo essere in grado di riconoscere. Questo risultato permette di fissare un nuovo limite, più stringente, alle possibili interazioni con la materia ordinaria per le WIMP, la classe di candidati di particelle di materia oscura che ricerchiamo con il nostro esperimento”.

Materia oscura e WIMP, cosa sono?

L’esistenza della materia oscura fu ipotizzata per la prima volta negli anni Trenta, per spiegare il motivo per cui, nonostante la velocità delle galassie che componevano un ammasso fosse tanto elevata da permetter loro di lasciarlo, rimanevano invece insieme. Secondo gli astronomi doveva esserci una qualche forma di materia che non emette radiazioni di alcun tipo, dunque “oscura”, ma capace di esercitare sui singoli componenti un’attrazione gravitazionale. Per spiegare la discrepanza tra l’osservazione degli ammassi e il loro comportamento fu introdotta l’ipotesi dell’esistenza di materia oscura, che nel cosmo esercita effetti gravitazionali sulla materia ordinaria.

Gli scienziati, finora, hanno osservato solo prove indirette della presenza di materia oscura nell’universo. Esistono due teorie principali sulla sua composizione. C’è chi ritiene che possa trattarsi di materia barionica, cioè composta da particelle come protoni e neutroni – le stesse che costituiscono pianeti, stelle e anche l’essere umano – ma che non emette radiazioni, dunque non è rivelabile dagli strumenti che abbiamo a disposizione.

Un’altra delle teorie più accreditate è che sia costituita da materia non barionica debolmente interagente, come i neutrini. Al contrario di questi ultimi, che hanno una massa quasi pari a zero, le WIMP sono dotate di grande massa e sono soggette solo alla forza gravitazionale e all’interazione nucleare debole. Non sono mai state osservate né previste dal Modello standard per le particelle, ma dalle sue estensioni basate sulla supersimmetria.

XENON1T: il rivelatore

A dare la caccia alle WIMP non è solo XENON1T, ma diversi esperimenti che cercano di identificarle e osservarle. Si svolgono presso l’acceleratore LHC del CERN di Ginevra ma anche nello spazio, a bordo della Stazione Spaziale Internazionale. Il flusso atteso per queste particelle è di un miliardo di WIMP per secondo in un’area di un metro quadrato: sono molto difficili da rivelare. I nuovi risultati di XENON1T però fissano un nuovo limite e mostrano che se la loro interazione è così debole, la rivelazione diretta è impossibile al momento anche per il rivelatore più grande mai realizzato.

Il rivelatore XENON1T è di tipo cilindrico, di circa un metro di diametro e altezza ed è riempito con Xenon liquido alla temperatura di -95° Celsius, con una densità tre volte superiore a quella dell’acqua. Se una WIMP interagisce con un nucleo di Xenon, gli scienziati osserveranno un debole lampo di luce di scintillazione accompagnato dall’emissione di alcuni elettroni, che a loro volta saranno convertiti in segnali luminosi. Tutti i segnali sono poi registrati da fotosensori ultrasensibili, che permettono di ottenere informazioni sulla posizione tridimensionale e sull’energia di ogni singolo evento.

Realizzare un rivelatore di questo tipo, in grado di registrare il raro segnale emesso dall’interazione delle WIMP con la materia ordinaria, richiede di superare molte sfide sperimentali. In primo luogo, è necessario ridurre il fondo di radiazioni provenienti da altre sorgenti, dalla radioattività dei materiali fino ai raggi cosmici. Proprio per questo motivo i Laboratori nazionali del Gran Sasso, sepolti da 1400 metri di roccia che agisce da schermante, rappresentano il luogo ideale per la realizzazione del rivelatore. È il più grande e quello con il fondo più basso, appena 630 eventi in una tonnellata di Xenon in un anno, cioè proprio nella regione di bassa energia tipica delle WIMP.

“Per ottenere questi bellissimi risultati  è stato fondamentale poter operare nel ‘nostro’ laboratorio sotterraneo, il più importante al mondo, e poter contare sull’esperienza e la competenza del personale dei LNGS”, ha commentato Selvi.

Il nuovo limite dell’esperimento

I risultati ottenuti dal team guidato da Aprile e Selvi provengono da un bersaglio di 1 300 chilogrammi, dei 2 000 chilogrammi totali attivi, dopo quasi 280 giorni di acquisizioni dati. Gli scienziati si attendevano un numero di appena due eventi dal fondo del volume più interno, cioè la regione più pura del rivelatore, ma non ne sono stati osservati affatto: questo significa aver ottenuto il miglior limite per l’osservazione delle WIMP che hanno una massa superiore a 6 Gev/c^2.

“Il risultato si basa su una quantità di dati pari a una tonnellata per anno, una esposizione mai raggiunta in precedenza. XENON1T ha raggiunto così una sensibilità circa quattro ordini di grandezza migliore di quella ottenuta con XENON10, il primo dei rivelatori del progetto XENON, che aveva iniziato la sua attività ai LNGS nel 2005″, ha detto Selvi. “Aumentando la massa del bersaglio dai cinque kg iniziali fino agli attuali 1 300 kg, e contemporaneamente diminuendo il fondo di un fattore 5000, la collaborazione XENON si conferma alla frontiera della ricerca diretta di materia oscura”.

Il rivelatore ora continua ad acquisire dati di qualità, ma andrà incontro ad un upgrade che permetterà di incrementarne la massa di un fattore quattro, riducendo così anche il fondo di un ordine di grandezza. La consegna dell’esperimento dopo l’upgrade è prevista nel 2019 e allora XENONnT potrà iniziare a esplorare la materia oscura con un livello di sensibilità che non era immaginabile nel 2002, quando il progetto è iniziato.

Qui il video della costruzione dell’esperimento XENON1T:

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