XENON1T, il grande esperimento italiano per cercare materia oscura

A cura di Massimiliano Russo.

Tempo avevamo già parlato di questo grande progetto dell’INFN, chiamato dapprima Dark Side. Pochi giorni fa è stato annunciato, in maniera definitiva, con un comunicato stampa. Quasi tutti hanno sentito parlare della materia oscura, quella parte di materia non direttamente osservabile poiché non emette radiazioni elettromagnetiche come ogni corpo dell’universo ma i cui effetti si vedono attraverso l’influenza gravitazionale sulle stelle e sulle galassie, e che nonostante tutto ciò costituisce quasi il 90% della massa dell’universo. Le prime speculazioni su questa materia sono iniziate negli anni ’30, senza mai trovare prove sperimentali anche fino ai giorni nostri; ed è questo quello che rende grande l’esperimento Xenon1T, non tanto per l’esperimento in sé (ce ne sono in atto 8 simili in tutto il mondo), ma per la sua maestosità.

L’esperimento avrà sede in Italia, nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) e vi prenderanno parte 21 gruppi di ricerca da tutto il mondo, capitanati da Elena Aprile della Columbia University di New York, Fernando Ferroni presidente dell’INFN e Stefano Ragazzi, direttore dei LNGS.

Il luogo dell’esperimento è di cruciale importanza, poiché l’isolamento deve essere massimo, fino a raggiungere quello che i fisici chiamano “silenzio cosmico”. Proprio per questo sono stati scelti i Laboratori Nazionali del Gran Sasso che si trovano sotto 1400 m di roccia, spessore che fornisce uno schermo efficace dai raggi cosmici. Ma la schermatura della sola montagna non è sufficiente e per cercare di rivelare la rara iterazione tra materia oscura e materia ordinaria c’è bisogno di qualcosa di più. Qui entra in gioco l’elemento chimico da cui l’esperimento prende il nome: lo xenon è un gas nobile ultra puro che viene raffreddato a -95°C per mantenerlo allo stato liquido; è un elemento molto sensibile e quasi privo di isotopi radioattivi che potrebbero disturbare le rivelazioni e inoltre ha buone capacità autoschermanti, dovuti alla sua alta densità. 3500 kg di xenon liquido vengono immersi in un criostato in acciaio inossidabile a bassa radioattività; ma la parte più importante dell’esperimento è il rivelatore (TPC) che è immerso nello xenon e che è in grado di emettere un segnale quando le particelle interagiscono al suo interno. Per garantire un’ulteriore schermatura dalla radioattività ambientale che può alterare il rivelatore, il criostato è immerso in 700 m³ di acqua ultra pura all’interno di un contenitore alto 10 m, attrezzato con 84 fotomoltiplicatori che servono per rivelare il passaggio dei muoni, particelle prodotte dai raggi cosmici che grazie alle loro elevate velocità sono in grado di raggiungere la Terra.

Ma come è in grado lo Xenon1T di “catturare” la materia oscura?

I fisici sostengono che la materia oscura in cui la Terra si muove può entrare in contatto con i nuclei atomici di un materiale rivelatore rilasciando una piccola quantità energia, tanto piccola che solo strumenti ad elevata sensibilità sono in grado di osservarla. In Xenon1T le iterazioni tra materia oscura e materia ordinaria producono nello xenon liquido due segnali: un lampo di luce primario e un segnale di carica che genera un secondo segnale di luce ritardato. Questi segnali possono essere catturati da dei fotomoltiplicatori, capaci di rivelare ogni singolo fotone, e attraverso l’analisi dei dati si può poi misurare l’energia e la posizione dell’iterazione, oltre che la natura della particella.

L’esperimento partirà nella primavera del 2016 e i dati verranno raccolti per due anni, per cercare di dar manforte alla teoria della “supersimmetria” che dal 2013 è in una fase di stallo, poiché il fratello più piccolo di Xenon1T, ovvero l’esperimento “Large Underground Xenon” (LUX) in South Dakota che usa 370 kg di xenox, per ora non ha dato risultati.

Non ci resta allora che aspettare i primi risultati, sperando in una nuova grande scoperta!