Il progetto XENON

Materia oscura

L'esperimento XENON è dedicato alla rilevazione diretta della materia oscura nell'Universo. Evidenze astronomiche indicano che circa il 23% dell'Universo è costituito da materia oscura non-barionica. Diverse teorie indicano che la materia oscura è costituita da Weakly Interacting Massive Particles (WIMP), "relitti esotici" del Big Bang che esistono ancora oggi a causa delle loro deboli interazioni con la materia ordinaria. Il miglior candidato WIMP è il neutralino, la più leggera particella predetta dalla supersimmetria (SUSY). Comprendere la natura della materia oscura è oggi una delle più importanti questioni aperte in cosmologia, astrofisica e fisica delle particelle.

Principi di rivelazione

XENON è un esperimento di rilevazione diretta dark materia che utilizza xenon liquido come mezzo rivelatore. L'obiettivo è rilevare la carica ed il piccolo segnale luminoso emesso dopo un' interazione di una particella di materia oscura con un nucleo di xenon in una camera a proiezione temporale(TPC) a doppia fase, liquido-gas: il segnale luminoso richiesto (S1) viene rilevato da due insiemi di fotomoltiplicatori. Gli elettroni di ionizzazione sono separati dagli ioni di Xe e diretti verso l'alto da un forte campo elettrico. Un secondo campo elettrico estrae le cariche dal liquido nella fase gassosa in cui si genera luce di scintillazione secondaria (S2) che è proporzionale al segnale di carica. Il segnale secondario - ritardato da S1 a causa del tempo finito di deriva degli elettroni - viene rilevato con gli stessi due insiemi di fotorivelatori.
La struttura della TPC permette una precisa ricostruzione tridimensionale del vertice di interazione che può essere utilizzato per ridurre la contaminazione di fondo mediante l'utilizzo di tagli sul volume fiduciali. Inoltre, il rapporto S2/S1 ha un valore diverso per rinculi elettroni (fondo) e rinculi nucleari (segnale) e può essere utilizzato per la discriminazione del fondo.


Le fasi del progetto XENON

La prima fase del progetto - XENON10 - ha operato con successo in modalità materia oscura presso i laboratori sotterranei del Gran Sasso (LNGS) fino al 2007, fornendo alcuni dei migliori limiti per le WIMP ottenuti fino ad oggi (Phys. Rev. Lett. 100, 2008). La seconda fase - XENON100 - che presenta una massa fiduciale maggiore (65 kg) ed una riduzione del fondo di circa 100 volte, ha iniziato ad essere operativo nel 2009 ed è attualmente in presa dati presso i LNGS. Nel 2012 XENON100 ha raggiunto una sensibilità a sezioni d'urto di 2 x 10-45 cm2 (Phys. Rev. Lett. 109, 181301 (2012) ). Un ulteriore aggiornamento del rilevatore che prevede l'utilizzo di una massa bersaglio di 1 ton - XENON1T - è stato finanziato ed è attualmente in fase di costruzione nella sala B dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Tale rivelatore raggiungerà una sensibilità a sezioni d'urto dell'ordine di 10-47 cm2. Inoltre, il criostato esterno di XENON1T è stato costruito in modo da poter permettere un rapido upgrade del detector alla fase denominata XENONnT. In questo caso il criostato interno e la TPC verranno sostituiti con altri di maggiori dimensioni. Questo porterà ad un incremento della massa totale di LXe da 3.3 ton a circa 7 ton, con un ulteriore abbassamento della sezione d'urto a cui il rivelatore potrà cercare segnali da WIMPs.

Il rivelatore XENON100

Il rivelatore XENON100 utilizza lo stesso principio di funzionamento e molte delle caratteristiche del rivelatore XENON10. È una XeTPC, con il volume sensibile LXe osservato da due insiemi di 178 fotomoltiplicatori (PMT), per rilevare simultaneamente il segnale primario da scintillazione (S1) e il segnale di ionizzazione tramite il meccanismo di scintillazione proporzionale (S2). Il bersaglio attivo è racchiuso in un cilindro PTFE di 15 cm di raggio e altezza 30 cm. Questo cilindro PTFE riflette la luce di scintillazione con alta efficienza, e separa otticamente il bersaglio LXe dal LXe circostante che è necessario per separare la TPC con il suo campo elettrico dalle pareti del recipiente. 64 PMT trasformano questo volume esterno di LXe in un veto LXe attivo, con una massa totale di 105 kg, compresi gli strati LXE al di sopra ed al di sotto dei due insiemi di PMT.

I materiali utilizzati nella TPC di XENON100 e negli strati esterni sono stati accuratamente selezionati con bassa radioattività intrinseca. L'obiettivo sensibile può essere "fiducializzato" per mantenere solo il nucleo interno privo di fondo. Simulazioni Monte Carlo, basato su queste misure di radioattività, prevedono un fondo dovuto a rinculi elettronici inferiore a 3 mDRU (mDRU = 10-3 evts / keVee / kg / die) nei 30 kg di xenon più interni. Il fondo prodotto da rinculi nucleari generati da neutroni sarà ancora minore.

LXe, come un gas nobile condensato, è facilmente purificabile per impurità radioattive. L'unica eccezione degna di nota è Kr, presente nello Xe in commercio con una concentrazione dell'ordine di ppm (parti per milione). Decadimenti beta di 85Kr (endpoint 687 ~ keV, 10.76 anni di emivita) rappresenta un fondo serio per una ricerca di materia oscura. Il gas utilizzato in XENON100 è stato lavorato dalla Società Spectra gas per ridurre la concentrazione di Kr ~ 5 ppb, mentre XENON100 richiede una concentrazioen di Kr altri due o tre ordini di grandezza inferiore. A tale scopo è stata utilizzata una piccola colonna di distillazione criogenica realizzata da Taiyo Nippon Sanso-Co. La colonna è stata posizionata presso i LNGS ed è stata già utilizzata per purificare lo Xenon gassoso.