XENONNT E DARKSIDE-20K - Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

Riuscire a rivelare e studiare la materia oscura è una delle sfide fondamentali della fisica moderna. Ipotizzata per spiegare fenomeni gravitazionali osservati nell’universo, pur essendo ben cinque volte più abbondante della materia ordinaria, e nonostante vi siano molti esperimenti in tutto il mondo che stanno cercando di rivelare le sue tracce, ad oggi la materia oscura non è ancora stata osservata sperimentalmente.
La materia oscura non emette e non assorbe alcun tipo di radiazione che riusciamo a osservare. Negli anni, sono state elaborate varie teorie sulla sua natura, alcune delle quali ipotizzano che sia costituita da particolari particelle dette WIMP, Weakly Interacting Massive Particles, particelle massive che interagiscono debolmente.
Ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, il più grande laboratorio sotterraneo con esperimenti attivi al mondo, sono oggi operativi rivelatori d’avanguardia per lo studio della materia oscura. Questi esperimenti impiegano due tecnologie diverse e concorrenti: Darkside, sfrutta l’Argon, mentre XENONnT impiega appunto lo Xenon. Entrambi sono dedicati alla ricerca diretta di ipotetiche particelle di materia oscura chiamate Wimp.

Immagine composita del Bullet Cluster.
Il Bullet Cluster è una coppia di ammassi di galassie che si sono scontrati frontalmente. L'immagine ottica del Hubble Space Telescope e Magellan mostra le galassie in arancione e bianco sullo sfondo. Il gas caldo, che contiene la maggior parte della materia normale nell'ammasso, è mostrato nell'immagine a raggi X di Chandra, che mostra il gas caldo all'interno dell'ammasso (rosa). La lente gravitazionale, la distorsione delle immagini di sfondo in base alla massa dell'ammasso, rivela che la massa dell'ammasso è dominata da materia oscura (blu), una forma esotica di materia abbondante nell'Universo, con proprietà molto diverse rispetto alla materia normale. Questa è stata la prima chiara separazione osservata tra la materia normale e quella oscura. (© NASA/CXC/M. Weiss)

Esterno dell'esperimento XENON presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN (© XENON Collaboration/LNGS-INFN)

XENONnT

L’esperimento XENONnT è un rivelatore installato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, sotto 1400 metri di roccia, basato sulla tecnologia dello Xenon liquido, e ha come principale obiettivo scientifico proprio l’osservazione in modo diretto dell’interazione di particelle di materia oscura con la materia ordinaria che compone il rivelatore. Vi sono varie ipotesi teoriche sulla natura della materia oscura e dunque varie particelle candidate a costituirla. Tra queste le cosiddette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), che sono quelle ricercate da XENONnT. In aggiunta a questo candidato, XENONnT è sensibile anche ad altri tipi di particelle e interazioni che possono spiegare altri problemi aperti in fisica e astrofisica.

Il rivelatore posto nel cuore di XENONnT è una camera a proiezione temporale con xenon in doppia fase, in stato sia liquido sia gassoso, di circa 1,5 metri in diametro e altezza, riempita con 5900 chili di xenon ultra-puro mantenuto liquido a una temperatura di -95 °C, che funge da bersaglio attivo per l’interazione delle particelle di materia oscura. Il tutto è installato al centro di un serbatoio di acqua, utilizzato come schermo attivo per rivelare altre particelle che potrebbero simulare falsi segnali.
XENONnT è stato progettato per rivelare la materia oscura con una sensibilità di 10 volte superiore al suo predecessore, l’esperimento XENON1T, operativo sempre ai LNGS dell’INFN, tra il 2016 e il 2018.

Per saperne di più, vai al sito del progetto

Neutron VETO PMts of XENONnT (© XENON Collaboration)

Esperimento DarkSide-50 presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. (© LNGS/INFN, Y. Suvorov)

DARKSIDE 20k

DarkSide-20k cercherà di osservare le WIMP sfruttando la loro potenziale interazione con l’argon liquido, un materiale criogenico con proprietà ottimali per un esperimento sulla materia oscura, come è stato dimostrato dagli esperimenti ad argon che hanno preceduto DarkSide-20k, come DarkSide-50, attivo ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN tra il 2015 e il 2018. In particolare, in DarkSide-20k sarà impiegato argon purissimo, estratto dall’impianto URANIA, un pozzo sotterraneo in Colorado, e purificato successivamente nel laboratorio ARIA nelle miniere Seruci in Sardegna, per essere sicuri sia privo di isotopi radioattivi, che potrebbero compromettere le misure dell’esperimento.

Il cuore dell’esperimento sarà la cosiddetta “Camera a Proiezione Temporale”, o TPC, con 20 tonnellate di argon liquido che, interagendo con le WIMP, produrrebbero una scia di elettroni liberi e fotoni, che sarebbero poi rivelati con dei rivelatori al silicio detti SiPM, Silicon-Photo Multipliers. La TPC sarà protetta da due ulteriori camere: la “camera di veto”, che avrà il compito cruciale di separare gli effetti delle collisioni WIMP-Argon da rumori di fondo, e una grande camera criostatica cubica con circa 700 tonnellate di argon liquido, che sarà il primo scudo per isolare l’esperimento dal rumore di fondo. Grazie a DarkSide-20k, a partire dal 2027, sarà così possibile rilevare per la prima volta la materia oscura, oppure vincolarne fortemente la natura e le proprietà.

Per saperne di più, vai al sito del progetto

Fase di installazione della TPC (Time Projection Chamber) ad Argon Liquido dell'esperimento DarkSide-50 presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (© LNGS/INFN, Y. Suvorov)