CACCIA ALLA MATERIA OSCURA SOTTO AL GRAN SASSO

The DarkSide of the universe

E' stato recentemente avviato nel cuore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, gestiti dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l'esperimento DarkSide-50. Il suo obiettivo: andare alla ricerca delle elusive WIMP, che sarebbero le costituenti principali della materia oscura nell'universo.

Il nucleo del rivelatore di materia oscura di DarkSide durante una fase di assemblaggio. Crediti: Peter Meyers

Il nucleo del rivelatore di materia oscura di DarkSide durante una fase di assemblaggio. Crediti: Peter Meyers

Si apre un nuovo capitolo nell’accesa corsa all’individuazione della materia oscura, l’elusivo ‘ingrediente’ che, secondo le attuali teorie, costituirebbe il 20-25 per cento della massa totale dell’universo e che non è ancora stato identificato né caratterizzato.

Gli scienziati per ora possono solo fare ipotesi e sperano che gli esperimenti più recenti possano finalmente dare indicazioni certe sulla natura della materia oscura. Qualche mese fa avevamo dato notizia dei primi risultati di LUX (Large Underground Xenon experiment), l’apparato installato nel cuore di una miniera d’oro nel Sud Dakota, Stati Uniti. Ad affiancarlo ora in questa avvincente caccia c’è anche DarkSide-50, un rivelatore recentemente entrato in funzione in una delle camere sotterranee dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) in Abruzzo. Così come LUX, DarkSide-50 è stato progettato per individuare le sfuggenti WIMPS, particelle massicce debolmente interagenti con la materia ordinaria che sono tra le maggiori indiziate quali costituenti della materia oscura. E come il suo ‘collega’ oltreoceano, DarkSide è stato installato nelle viscere di una montagna per ridurre al minimo effetti spuri dovuti ai raggi cosmici. Il programma di ricerca vede un’ampia collaborazione internazionale, con 17 istituti americani, l’INFN  e altri centri in Italia, Francia, Polonia, Ucraina, Russia e Cina. “Viviamo un po’ la situazione della ricerca del Bosone di Higgs come era 10 anni fa” dice Peter Meyers, professore di fisica all’Università di Princeton e uno degli scienziati alla guida del progetto. “Abbiamo una buona idea di cosa cercare, ma non sappiamo esattamente dove o quando la troveremo”.

“L’INFN ha contribuito in maniera determinante all’installazione dell’esperimento in quello che è uno dei suoi laboratori di eccellenza”, aggiunge Gioacchino Ranucci, Dirigente Tecnologo della sezione INFN di Milano, coinvolto nella gestione del progetto. “DarkSide-50 rappresenta un altro tassello della fattiva, pluriennale cooperazione Italia-USA al Gran Sasso, culminata in particolare nello sviluppo di tecniche di rivelazione di particelle a livelli di radiopurezza mai raggiunti in precedenza, ed ampiamente riutilizzate e potenziate nella costruzione dell’apparato”.

Per riuscire nell’impresa è stato progettato un sistema composto da un rivelatore a doppio stadio grande all’incirca come una borsa per la spesa, contenente 38 litri di argon puro che è stato liquefatto raffreddandolo fino alla temperatura di meno 186 celsius. La parte attiva del rivelatore, avvolta in una struttura di Teflon, contiene 150 chilogrammi di argon (di cui 50 attivi, da qui il nome DarkSide-50). Nella parte superiore e inferiore del recipiente che accoglie il rivelatore sono state installati i fotorivelatori in grado di captare la luce prodotta dall’urto di una WIMPcon gli atomi ultrapuri di argon. Tutto il dispositivo è alloggiato all’interno di una sfera di acciaio delle dimensioni di una stanza e riempita con 30.000 litri di liquido scintillatore. A sua volta la sfera è sospesa tramite dei supporti all’interno di un grande serbatoio cilindrico alto 10 metri (più o meno una casa di tre piani) e con un diametro di 11 riempito con un milione di litri di acqua depurata.

Questa complessa architettura è stata pensata per ridurre al minimo tutte le interferenze nel rivelatore prodotte da fenomeni non riconducibili alle interazioni di WIMP, come particelle associate ai raggi cosmici, prodotte dalla radioattività naturale presente nelle rocce o addirittura nei materiali di cui è composto l’apparato stesso. Così, il segnale prodotto da una WIMP che impatta un nucleo di argon viene registrato solo dal rivelatore a doppio stadio di DarkSide-50 mentre altre particelle in transito nell’apparato, come ad esempio neutroni e muoni, possono interagire sia con l’argon che con il liquido scintillatore o l’acqua. Il controllo della coincidenza temporale con cui questi segnali verranno registrati nei vari ambienti dell’apparato permetterà agli scienziati di distinguere le WIMP dalle altre particelle.

“Il progetto è innovativo in tutte le sue componenti” sottolinea Cristiano Galbiati, professore all’Università di Princeton. “Il nostro obiettivo è dimostrare che l’argon da sorgenti sotterranee è l’elemento migliore per la caccia alla materia oscura. Grazie al supporto di INFN, NSF e DOE DarkSide è il primo esperimento a fare uso di un veto per neutroni”.