Materia oscura, la trappola XENON1T

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Una nuova trappola per la materia oscura, un progetto, XENON1T, portato avanti da 21 gruppi di ricerca, provenienti da Italia, USA, Germania, Svizzera, Portogallo, Francia, Paesi Bassi, Israele, Svezia e Abu Dhabi, con base nei laboratori del Gran Sasso, in Abruzzo.

L’obiettivo dei ricercatori è quello di risolvere almeno una parte degli interrogativi che riguardano la materia oscura, elemento costituente di circa il 25% del nostro Universo; non a caso, è stato come scelto come slogano “Illuminare l’oscurità”.

La base del progetto è la realizzazione di una “trappola” per la materia oscura.
Spiega Elena Aprile, coordinatrice del progetto: “Per vedere le rare interazioni delle particelle di materia oscura con un rivelatore, è necessario costruire uno strumento con una grande massa e una radioattività estremamente bassa; senza queste misure, di fatti, il rischio è non avere alcuna chance di distinguere un evento dovuto alla materia oscura fra tanti altri segnali che costituiscono il rumore di fondo“.

Cos’è la materia oscura

La materia oscura è uno degli elementi costitutivi fondamentali dell’Universo.

Si sa molto poco della sua natura; al momento, sappiamo solo che esiste, che non assorbe, né emette luce e che è cinque volte più abbondante della materia ordinaria.

Noi prevediamo che circa 100.000 particelle di materia oscura attraversino ogni secondo una superficie pari a quella di un’unghia“, analizza Gabriella Sartorelli, coordinatrice del gruppo di ricerca italiano “Il fatto che non le abbiamo già osservate ci dice, tuttavia, che la loro probabilità di interagire con gli atomi dei nostri rivelatori è molto piccola, e che abbiamo, pertanto, bisogno di strumenti più grandi e più sensibili per trovare le rare firme di queste particelle”, conclude Sartorelli.

L’esperimento

Le condizioni necessarie per la cattura delle particelle sono piuttosto particolari; non a caso, si è scelto di installare i macchinari sotto il Gran Sasso, dove è garantita un’importante schermatura dai raggi cosmici, preservando quello che i fisici definiscono “silenzio cosmico”.

Anche l’esperimento dev’essere realizzato seguendo un iter ben preciso, seguendo degli accorgimenti tali da rendere possibile un’analisi corretta dei risultati ottenuti, soprattutto in funzione della rilevazione dei rarissimi eventi di interazione della materia oscura con quella ordinaria.

L'assemblaggio del XENON1T TPC, il rilevatore delle interazioni tra materia ordinaria e oscura. Credits INFN.
L’assemblaggio del XENON1T TPC, il rilevatore delle interazioni tra materia ordinaria e oscura. Credits INFN.

È stata quindi importante la scelta di utilizzare lo xenon, gas nobile ultrapuro, portato a temperature molto basse per mantenerlo allo stato liquido. Il rivelatore (la Camera a Proiezione di Tempo, TPC), fulcro della sperimentazione di XENON1T, restituisce dei segnali in output quando vi è un’interazione tra particelle al suo interno; per questo motivo, viene immerso in un criostato, un thermos, contenente circa 3500 kg di xenon liquido.

A questi accorgimenti, si aggiunge poi la necessità di garantire una schermatura dalla radioattività ambientale e dai muoni, capaci di produrre un fondo all’interno del rivelatore; per questo motivo, il thermos è a sua volta immerso in 700 m3 d’acqua ultra pura, sovrastati da 84 fotomoltiplicatori sensibili alla presenza dei muoni cosmici.

Alessandro Mercuri

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