Esperimento PADME, caccia al fotone oscuro e della quinta forza

SCOPERTE – In un capannone, in fondo a una stradina nei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, il 4 ottobre è stata avviata la “corsa” a caccia alla materia oscura. Mauro Raggi e Paolo Valente sono i due ricercatori dell’INFN che insieme a un team di colleghi hanno lavorato alla costruzione e messa in opera dell’esperimento PADME, Positron Annihilation into Dark Matter Experiment, un rivelatore che andrà alla ricerca dei fotoni oscuri prodotti dall’annichilazione tra elettroni e positroni. Siamo andati a vederlo di persona.

Le particelle vengono prodotte dall’acceleratore lineare LINAC, nascosto sotto una collinetta e lungo circa 60 metri, e il primo RUN di presa dati iniziato a ottobre si concluderà a gennaio 2019. L’obiettivo dei ricercatori è ambizioso: trovare il fotone oscuro, messaggero della quinta forza che potrebbe governare la materia oscura e aprire una strada verso la sua osservazione diretta e la comprensione della sua natura.

L’esperimento prevede che un fascio di positroni – che crea un milione di collisioni di particelle al secondo su un bersaglio di diamante – riesca a catturare il fotone oscuro. Le particelle sono accelerate all’energia di 550 megaelettronvolt (MeV). Come ha sottolineato Raggi. “PADME è un esperimento piccolo rispetto ai grandi mostri del CERN, ma siamo orgogliosi del fatto che sia un esperimento fatto in Italia e che potrà avere un impatto a livello globale”.

Fotoni oscuri e quinta forza

Circa il 5% dell’universo è composto da materia ordinaria ed è governato da quattro forze fondamentali: gravitazionale, elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte. Il restante 95% è composto da materia oscura (27%) ed energia oscura. A oggi non conosciamo la natura di questo tipo di materia che interagisce solo attraverso una delle forze, la gravità. Dopo una caccia che dura da anni, alcuni scienziati hanno ipotizzato che la materia oscura possa essere dominata da una quinta forza fondamentale che come per le altre è associata a una particella messaggera, ad esempio un fotone “pesante” e dotato di una piccola massa, al contrario del fotone messaggero dell’interazione elettromagnetica che ha massa nulla.

Un fotone “oscuro” che veicola la quinta forza, quella in grado di connettere la materia oscura con il nostro mondo. Fernando Ferroni, presidente dell’INFN, ha commentato: “Il problema della materia oscura è certamente tra i più importanti della fisica moderna, e l’INFN è impegnato a fondo in tutti i grandi esperimenti, spesso con un ruolo di guida. È cruciale però anche verificare modelli teorici meno studiati, grazie a piccoli esperimenti dedicati, come PADME, che sfruttano la grande competenza dell’INFN nella tecnologia degli acceleratori”.

Raggi ha spiegato che “PADME si servirà per la prima volta di collisioni di positroni su un bersaglio fisso, con lo scopo di esplorare il contenuto di quella parte nascosta del cosmo che chiamiamo materia oscura. La possibilità che esistano nuove forze e nuove particelle sconosciute è sicuramente una frontiera molto affascinante e il team dell’esperimento è molto orgoglioso di partecipare a questa impresa”.

PADME, un piccolo e preciso esperimento

L’esperimento PADME si trova nella sala sperimentale della struttura di test del Linac, l’acceleratore lineare nei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, che accelera un fascio di antielettroni, o positroni, sparandoli su un sottile bersaglio di diamante. Il fascio interagisce con gli elettroni presenti nel bersaglio e potrebbe produrre fotoni “oscuri” assieme a un fotone visibile. I dati sono ricevuti da fibre ottiche e analizzati nella sala di controlli.

Per rilevare i fotoni emessi PADME è dotato di un calorimetro, composto da circa 600 cristalli scintillanti inorganici, e un magnete sviluppato dal CERN di Ginevra allontana dai rivelatori i positroni che non interagiscono con il bersaglio. L’estrema precisione del rivelatore permetterà di ottenere una misura dell’energia e della posizione del fotone visibile da cui gli scienziati, oltre 40 fisici con la significativa collaborazione di colleghi da Bulgaria, Ungheria e Stati Uniti, potranno ricavare informazioni sull’eventuale esistenza del fotone oscuro e sulla sua massa.

Le tecnologie sviluppate per l’esperimento sono il frutto di progettazioni innovative. Il bersaglio è costituito da un diamante artificiale policristallino spesso appena un decimo di millimetro e che costituisce il cuore di PADME, agendo anche come rivelatore. Il dispositivo è stato realizzato dai laboratori INFN della sezione di Lecce in collaborazione con i fisici del Laboratorio L3 dell’Università del Salento e sfrutta una nuova tecnica per la realizzazione degli elettrodi basata sull’irraggiamento con luce laser della superficie del diamante per produrre strisce di grafite conduttive.

Il calorimetro invece è costruito con un materiale, il BGO, nato per la fisica delle particelle e grazie a caratteristiche di granularità, alta efficienza e densità è un esempio di tecnologie nate per la ricerca scientifica di base che trovano applicazione in svariati campi, ad esempio nella PET per esami diagnostici. Il monitor di fascio invece è realizzato con una tecnologia di pixel al silicio chiamata TimePix, sviluppata dal CERN, che permette di ottenere tempo e coordinate delle particelle con grande precisione.

Paolo Valente, ricercatore e spokesperson dell’esperimento, ha spiegato che “PADME sfrutta un’infrastruttura di ricerca chiamata Beam Test Facility (BTF) che estrae particelle accelerate nel LINAC (acceleratore lineare) e che è stata impiegata, negli ultimi 15 anni, dalla comunità dei fisici sperimentali per lo sviluppo di nuove tecnologie di rivelatori. In futuro, inoltre, sarà possibile usare la BTF anche per applicazioni industriali, per esempio nel campo dello studio dei danni da irraggiamento”.

Fotone oscuro, la caccia è aperta

Proprio grazie alle sue dimensioni ridotte, PADME affianca grandi esperimenti nella ricerca del fotone oscuro, ma lavora a energie inferiori sotto al MeV. Il primo RUN di presa dati è stato avviato il 4 ottobre e durerà fino al prossimo gennaio 2019, quando sarà interrotto per permettere ad altri esperimenti presenti ai LNF di svolgere le loro prese dati. Intanto gli scienziati avranno la possibilità di analizzare i dati raccolti e verificare gli strumenti, valutando anche l’eventuale necessità di correzione o modifiche all’esperimento.

Pierluigi Camapana, direttore dei LNF dell’INFN, ha commentato: “PADME è la migliore dimostrazione che anche laboratori di medie dimensioni, come Frascati, possono avere un programma di fisica fondamentale di alto livello. Oggi la ricerca delle motivazioni della materia oscura è una delle sfide più appassionanti e difficili e richiede una molteplicità di approcci”.

La caccia è aperta.

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