INAUGURAZIONE XENON1T ai LNGS

Pubblicato Martedì, 17 Novembre 2015

Lo scorso 11 novembre, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è stata aperta una nuova finestra sul cosmo, per dare la caccia alla sfuggente materia oscura: XENON1T. Alla cerimonia inaugurale, che si è svolta nella Fermi Lecture Hall dei LNGS alla presenza del presidente INFN Fernando Ferroni, della spokesperson dell’esperimento Elena Aprile, della Columbia University di New York, il diretto dei LNGS, Stefano Ragazzi oltre ai ricercatori italiani coinvolti in XENON1T e ai massimi rappresentanti dei maggiori enti di ricerca mondiali che partecipano all’esperimento. XENON1T è, infatti, una collaborazione internazionale di 21 gruppi di ricerca, provenienti da Italia, USA, Germania, Svizzera, Portogallo, Francia, Paesi Bassi, Israele, Svezia e Abu Dhabi.

“Illuminare l'oscurità” è lo slogan scelto dai ricercatori di XENON1T, che hanno l’ambizioso obiettivo di fare luce su uno dei misteri della fisica contemporanea: di che cosa sia fatta la materia che costituisce circa un quarto dell'universo. E l’esperimento che hanno realizzato è una vera e propria trappola per la materia oscura. 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 per distinguere un evento dovuto alla materia oscura fra tanti altri segnali che costituiscono il rumore di fondo.

I Laboratori sotterranei del Gran Sasso, con uno schermo di roccia di circa 1400 metri sono un luogo privilegiato per questo tipo di ricerche.

La materia oscura
È uno degli ingredienti base del cosmo: è, infatti, cinque volte più abbondante della materia ordinaria che compone tutto ciò che conosciamo.

L'esperimento
Per la rivelazione delle particelle di materia oscura l’esperimento XENON1T utilizza un gas nobile ultrapuro, lo xenon per l'appunto, raffreddato a una temperatura molto bassa, -95 0C, per mantenerlo allo stato liquido. Il rivelatore (la Camera a Proiezione di Tempo, TPC), cuore dell'esperimento, è in grado di dare un segnale quando le particelle interagiscono al suo interno. Il rivelatore è immerso in un criostato, in acciaio inossidabile a bassa radioattività, contenente circa 3500 kg di xenon liquido. Ma non solo: per garantire una schermatura dalla radioattività ambientale, e dai muoni cosmici che possono produrre un ulteriore fondo all’interno del rivelatore, il criostato è immerso in circa 700 m3 d'acqua ultrapura, all'interno di un contenitore alto circa 10 m e di uguale diametro attrezzato con 84 fotomoltiplicatori che servono per rivelare il passaggio dei muoni cosmici. 

La tecnica
Secondo i modelli teorici più accreditati, il vento di particelle prodotto dal movimento della Terra nell’alone di materia oscura che avvolge la Via Lattea può occasionalmente colpire i nuclei atomici di un materiale rivelatore, depositando una piccola quantità di energia, che solo uno strumento di grande sensibilità consente di osservare. In XENON1T le rare interazioni con le particelle di materia oscura producono nello xenon liquido due segnali: un lampo di luce primario e un segnale di carica che genera un secondo segnale di luce ritardato. I segnali luminosi sono catturati da 248 fotomoltiplicatori. Dall’analisi dei segnali i fisici di XENON1T possono poi misurare l'energia e la posizione dell'interazione, e la natura della particella.

L’inizio della presa dati di XENON1T è previsto per la fine dell’anno e ci sono tutte le premesse non solo per verificare altri modelli di materia oscura, oltre a quello che prevede che sia costituita da WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), ma soprattutto per riuscire finalmente a rivelarla. La raccolta dei dati durerà due anni, ma i fisici di XENON1T guardano già oltre, ad un esperimento di circa 7 tonnellate di xenon che potrebbero essere ospitate nello stesso criostato attualmente installato.

Il ruolo della sezione di Bologna
Il gruppo di Bologna partecipa all'esperimento XENON1T fin dalla sua ideazione e progettazione, nel 2009.
E' responsabile della realizzazione del "muon veto" all'interno della water tank (di circa 10 m sia di diametro che di altezza), strumento che permette di portare il fondo da neutroni cosmogenici a livelli trascurabili. 
Il muon veto è costituito da un sistema di 84 fotomoltiplicatori, disposti sulle pareti interne, sul pavimento e all’interno del tetto della water tank, i quali sono stati testati a Bologna e al LNGS con il contributo di tecnici e ricercatori della sezione. 
I servizi di Officina Meccanica e Progettazione hanno partecipato molto attivamente e con grande spirito di collaborazione a tutte le fasi di progettazione, test e installazione finale dello strumento.
Il gruppo è responsabile inoltre delle simulazioni Monte Carlo dell'apparato, indispensabili per fare predizioni accurate dei vari fondi, e stimare così le prestazioni e la sensibilità dell'esperimento.