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La materia oscura e la sua ricerca: progetto XENON

Diverse osservazioni astronomiche hanno registrato una convergenza su un modello dell'Universo, che si compone per il 4.9% di materia ordinaria, per il 68.3% di energia oscura e per il 26.8% di materia oscura. Previsioni teoriche suggeriscono che questa massa sconosciuta potrebbe essere costituita da una classe generica di particelle chiamate Weakly Interacting Massive Particles (WIMP), reliquie del Big Bang che esistono ancora oggi. Queste WIMP sono ritienute essere una nuova forma di materia che non è stata ancora osservata. Tuttavia, sulla base di osservazioni della rotazione delle galassie, si ritiene che le WIMP mostrino una distribuzione a simmetria sferica nella galassia, che costituisce una nube di materia oscura attraverso cui il sistema solare, e quindi la Terra, si muove. Di tanto in tanto una WIMP potrebbe collidere con un nucleo atomico di un rivelatore posizionato sulla Terra, mentre quest'ultima attraversa la distribuzione di materia oscura. Ciò porterebbe ad un segnale rilevabile. Vari esperimenti di rivelazione diretta in tutto il mondo adottano questo principio per cercare le particelle di materia oscura. XENON è uno di loro.


Esperimenti per la rivelazione della materia oscura

Se le WIMP esistessero, dovrebbero avere una probabilità di interazione molto piccola con la materia ordinaria - altrimenti sarebbe stata già rilevata. Varie teorie, ad esempio supersimmetria (SUSY), prevedono una piccola sezione d'urto per l'interazione delle WIMP. Ogni rilevatore di WIMP quindi al massimo potrà vedere solo alcune di queste particelle l'anno. Per questo motivo, tutti i rilevatori di materia oscura sono collocati in profondità all'interno di grandi e pesanti scudi di piombo/polietilene o all'interno di un serbatoio di acqua. L'interazione tra una WIMP ed un nucleo di un atomo del rivelatore produce rinculi di energie piuttosto piccole (da decine a centinaia di keV). L'energia di rinculo - e con essa l'energia depositata dalle WIMP - può essere misurata studiando la luce di scintillazione o il segnale di ionizzazione (carica) prodotti nel mezzo rivelatore o misurando la quantità di calore (molto piccola) depositato nel rivelatore.

Il progetto XENON

L'esperimento XENON utilizza xenon liquido come mezzo rivelatore. (Il gas nobile xenon diventa liquido a una temperatura di -100 oC e ad una pressione di circa 2 bar.) L'alta densità (~ 3 g/cm3) e l'alto numero atomico (A ~ 131) permettono di costruire rivelatori compatti, dove le parti esterne schermnao in modo molto efficiente quelle interne. La misurazione simultanea di segnali di ionizzazione e scintillazione prodotta dalle interazioni delle particelle di xenon liquido permette di distinguere se la particella è una WIMP o un segnale di fondo. Attualmente, la collaborazione XENON ha in funzione il rilevatore XENON100 nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS): tale rilevatore utilizza più di 100 kg di xenon liquido ed è circa 10 volte più grande rispetto al suo predecessore XENON10. XENON10 è stato installato presso i LNGS dal 2005-2007, ed ha prodotto alcuni dei migliori risultati riguardanti la ricerca della materia oscura presentati finora.

Nell'aprile del 2011 abbiamo presentato i risultati di circa 100 giorni di acquisizione dati. Nessuna interazione di WIMP è stata trovata, per cui è stato possibile solo migliorare la stima del limite superiore della probabilità di interazione delle WIMP con la materia ordinaria. Nel 2012 sono stati presentati nuovi risultati in cui XENON100 ha raggiunto una sensibilità a sezioni d'urto di 2 x 10-45 cm2 (Phys. Rev. Lett. 109, 181301 (2012) ). Oggi il rivelatore è ancora in funzione per cercare di accumulare quanti più dati possibile così da raggiungere sensibilità ancora più basse di quelle raggiunte finora. Il passo successivo previsto dalla collaborazione XENON è costruire XENON1T, un rilevatore di xenon liquido contenente circa 3 ton di xenon, installato all'interno di un grande serbatoio riempito con acqua ultrapura che fungerà come veto per particelle provenienti dal fondo esterno. È stato approvato dal consiglio INFN nel mese di aprile 2011 ed è attualmente in costruzione nella sala sperimentale B dei LNGS. Sarà operativo nel 2015.

Con XENON1T sarà possibile raggiungere sensibilità a sezioni d'urto dell'ordine di 10-47 cm2, fornendo così la possibilità di studiare la DM in regioni, dello spazio dei parametri, ancora inesplorate. Inoltre, il criostato esterno di XENON1T sarà costruito in modo tale da essere pronto per ospitare un unpgrade del rivelatore, XENONnT. Tale detector utilizzerà una TPC ed un criostato interno di più grandi dimensioni. In tal caso la massa totale di Xe sarà di circa 7 tonnellate. Questo permetterà un ulteriore abbassamento delle sezioni d'urto che sarà possibile studiare.