PASSI AVANTI PER GLI ESPERIMENTI ALPS II E LUX-ZEPLIN

Nel profondo della materia oscura

Ultra leggere o massicce che siano, le particelle di materia oscura sono quanto di più elusivo esista, tanto che nessuno le ha mai viste. Due collaborazioni, una in Europa e un’altra negli Stati Uniti, stanno costruendo sottoterra altrettanti nuovi rivelatori, centinaia o migliaia di volte più sensibili dei loro predecessori

     04/11/2019
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Rappresentazione dell’esperimento Alps II al Desy di Amburgo. Crediti: Desy, Scicom Lab

La caccia alla materia oscura passa, letteralmente, per un grande lavorio sotterraneo: è nelle profondità di due laboratori, uno in Europa e uno negli Usa, che stanno infatti prendendo forma due nuovi esperimenti.

Presso il centro di ricerca tedesco Desy ad Amburgo, la collaborazione internazionale Alps II (“Any Light Particle Search”) ha recentemente installato il primo dei 24 magneti superconduttori previsti per l’omonimo esperimento di fisica delle particelle, che inizierà a cercare tracce di materia oscura a partire dal 2021.

Com’è noto, la materia oscura (dark matter, in inglese) viene così chiamata per il fatto che non è mai stata osservata, nonostante ci siano molte prove indirette della sua esistenza. In effetti, si è calcolato che la materia oscura deve costituire qualcosa come l’85 per cento di tutta la materia presente nell’universo.

Sono state sviluppate diverse teorie che cercano di spiegare la natura della materia oscura e delle particelle di cui può consistere. Una di queste teorie prevede che la materia oscura sia costituita da particelle molto leggere con proprietà molto specifiche. Un candidato per questa categoria è l’assione, particella elementare originariamente postulata per spiegare taluni aspetti dell’interazione forte, una delle forze fondamentali della natura.

Lo strumento Alps II è progettato proprio per rilevare assioni, con una sensibilità mille volte superiore al precedente esperimento Alps I, in funzione dal 2007 al 2010. Viene costruito nel tunnel che in precedenza ospitava un acceleratore di particelle, di cui sono stati riutilizzati – modificandoli – i giganteschi magneti.

Schema di funzionamento dell’esperimento Alps II. Crediti: Desy

Due serie di 12 magneti, separate da un muro divisorio, ospitano ciascuna una cavità ottica lunga 120 metri, all’interno della quale un potente sistema laser produce luce. Questa luce, secondo la teoria alla base dell’esperimento, verrebbe in piccolissima parte convertita in particelle di materia oscura grazie all’amplificazione portata dal campo magnetico. Il muro che separa i due compartimenti blocca la luce ma non particelle come gli assioni, che verrebbero riconvertiti in luce e quindi rilevati nel secondo compartimento.

Fra gli enti scientifici coinvolti in Alps II c’è anche il Lawrence Berkeley National Laboratory, finanziato dal Dipartimento dell’energia statunitense, il cui laboratorio ha compiuto negli stessi giorni un passo importante per la realizzazione di un proprio esperimento. Lo scopo è il medesimo, ma la tecnologia differente, in quanto la sfuggente preda è rappresentata da particelle “pesanti”, le cosiddette Wimp.

Crediti: Nick Hubbard/Sanford Underground Research Facility

Il componente principale del rivelatore di materia oscura Lux-Zeplin è infatti stato installato al Sanford Underground Research Facility, un laboratorio sotterraneo ricavato in una ex miniera d’oro localizzata nello stato del Sud Dakota. Si tratta del cosiddetto criostato centrale dell’esperimento, del peso di oltre due tonnellate, calato con successo a circa un chilometro e mezzo sottoterra la scorsa settimana.

Nei prossimi mesi il rivelatore sarà avvolto in vari strati isolanti, e il prossimo anno sarà riempito con circa 10 tonnellate di xenon liquido liquido ultra-puro. L’avvio di Lux-Zeplin è previsto per luglio 2020, quando diventerà il più grande esperimento per il rilevamento diretto di materia oscura in territorio statunitense.

La collaborazione dell’esperimento, composta da 220 scienziati provenienti da 38 diverse istituzioni scientifiche, si attende che Lux-Zeplin sia circa cento volte più sensibile del suo predecessore Lux (Large Underground Xenon). Le particelle Wimp di materia oscura, se esistono, in rarissimi casi potrebbero interagire con i pesanti atomi di xenon, producendo un bagliore in luce visibile, tracciabile dal rivelatore. Un piccolo lampo per un rivelatore, ma un grande balzo per la fisica, se mai quel bagliore dovesse accendersi veramente.