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Jul 29, 2023

La caccia alle particelle di materia oscura e agli invisibili?

Il nostro Universo è pieno di misteri in attesa di essere risolti. Uno dei più grandi enigmi della fisica moderna è la natura delle particelle di materia oscura e dei neutrini. Nonostante il fatto che costituiscano a

Il nostro Universo è pieno di misteri in attesa di essere risolti. Uno dei più grandi enigmi della fisica moderna è la natura delle particelle di materia oscura e dei neutrini. Nonostante costituiscano una parte significativa dell’Universo, sappiamo ancora poco di queste sfuggenti particelle. Tuttavia, con l’aiuto di tecnologie all’avanguardia, ci stiamo avvicinando alla comprensione delle loro proprietà, in modo da poterli utilizzare come una nuova finestra sull’Universo nascosto. Questa ricerca della conoscenza non solo approfondisce la nostra comprensione dell’Universo, ma ha il potenziale per rivoluzionare il nostro modo di vivere.

Qui vedremo come DarkWave, un progetto finanziato dalla Commissione Europea (Grant No 952480) e implementato da un consorzio di cinque istituti di ricerca – AstroCeNT/ Nicolaus Copernicus Astronomical Center (un Centro di Eccellenza nella fisica astroparticellare recentemente istituito in Polonia) , Laboratoire Astroparticule & Cosmologie/CNRS, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e Gran Sasso Science Institute, Università Tecnica di Monaco – contribuisce a questo impegno scientifico.

Nell’attuale modello standard della cosmologia, le particelle di materia oscura costituiscono il 27% dell’Universo e determinano il modo in cui le strutture osservate su scala galattica e più grandi si formano, si evolvono e si muovono. La materia normale contribuisce per il 5%, di cui i neutrini contribuiscono per lo 0,3%. Il resto è riempito da energia oscura, che influenza il tasso di espansione dell'Universo.

A differenza della materia ordinaria, i neutrini e la materia oscura non rispondono alla forza elettromagnetica. Non sono nemmeno solo scuri ma assolutamente trasparenti: non assorbono, riflettono o diffondono i fotoni. Ciò rende difficile per loro avere qualche effetto sulla materia normale: un gran numero di neutrini cosmici e particelle di materia oscura fluiscono costantemente attraverso la Terra senza alcun effetto evidente. Tuttavia, sia il modello standard della cosmologia che il modello standard della fisica delle particelle hanno senso solo se esiste una particella di materia oscura, e le proprietà dei neutrini e della materia oscura sono fondamentali per la nostra comprensione dell’evoluzione dell’Universo. Quindi, costruiamo rilevatori per osservarli.

Le interazioni dei neutrini con la materia inducono cariche elettriche rilevabili, ma sono così rare che è necessario osservare un gran numero di atomi bersaglio per ottenere anche un piccolo numero di interazioni. Per la materia oscura la situazione è ancora più complicata: non sappiamo ancora che tipo di particella sia la materia oscura.

Alcune teorie della fisica delle particelle prevedono una particella massiccia a interazione debole (WIMP) che sarebbe in grado di disperdersi sui nuclei atomici, impartendo loro una certa energia cinetica. Tonnellate di atomi bersaglio devono essere osservati per questo improvviso rilascio di energia cinetica extra nel corso degli anni. Tali esperimenti vengono eseguiti in laboratori sotterranei profondi, come i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN in Italia, dove è in costruzione DarkSide-20k, il prossimo rilevatore di materia oscura più sensibile. Sono necessari chilometri di roccia per schermare la radiazione cosmica naturale, che altrimenti soffocherebbe completamente i segnali esotici ricercati.

Rilevare queste particelle invisibili di materia oscura si riduce al rilevamento dei fotoni che inducono indirettamente nella materia. Uno dei modi migliori per essere sensibili alle interazioni WIMP e neutrini è con uno scintillatore, un materiale che emette lampi di luce. Questa luce viaggia attraverso l'ampio volume del rilevatore e viene rilevata dai fotosensori disposti attorno al volume target. L'argon liquido è un eccellente scintillatore, ma rilevarne l'emissione è un'altra sfida. La maggior parte dei sensori commerciali non è sensibile alla luce UV lontana che emette; deve essere convertito in luce visibile utilizzando i cosiddetti materiali wavelength shifter (WLS). Una delle sfide per la prossima generazione di rilevatori di materia oscura e di neutrini è l’ampliamento delle tecnologie WLS e dei sensori fotografici fino a 100 m2 e oltre. Il progetto DarkWave affronta gli aspetti chiave di questa sfida: generazione, raccolta e rilevamento della luce.

Per massimizzare la quantità di luce generata, verrà utilizzato argon liquido appositamente purificato. Prima di riempire il rilevatore DarkSide-20k, l'argon verrà raffinato nell'impianto Aria di recente apertura in Sardegna, dove è in costruzione una torre di distillazione criogenica alta 350 metri. Ogni singolo fotone è importante, quindi per rivestire le pareti del rilevatore viene utilizzata una combinazione di WLS altamente efficiente e materiali riflettenti. Il rilevatore di veto, che circonda il rilevatore WIMP principale e sopprime i fondi di radiazione naturale, ha una superficie di 200 m2. Dopo numerosi test e prototipi condotti da AstroCeNT e misurazioni nell'argon liquido al Gran Sasso, all'Università di Zurigo e al CERN, una plastica comune, il polietilene naftalato (PEN), normalmente utilizzata per realizzare oggetti come bottiglie di birra, è stata selezionata come WLS per il veto. L’efficienza del PEN è inferiore a quella dei materiali realizzati appositamente, ma è compensata dal basso costo e dagli impianti di produzione industriali esistenti su vasta scala.