A caccia di WIMP

(Credits Yury Suvorov)

(Credits Yury Suvorov)

Nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), con l’esperimento DarkSide-50, si cerca di osservare le misteriose particelle debolmente interagenti (WIMP) che si pensa, costituiscono parte della materia oscura. Nella sala C, a 1400 metri sotto il Gran Sasso, un esperimento di rilevanza internazionale, chiamato DarkSide-50, cerca di intercettare particolari particelle debolmente interagenti che si pensa costituiscono la materia oscura. Abbiamo incontrato l’ingegner Gioacchino Ranucci, ricercatore presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, responsabile nazionale dell’esperimento Borexino e Co-Spokesperson di Borexino e DarkSide, per farci spiegare la natura e l’importanza di questa ricerca.

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Gioacchino Ranucci

Ingegner Ranucci, che cos’è la materia oscura e cosa sono le WIMP?
La materia oscura è un tentativo di spiegare un paradosso cosmologico, risalente agli anni trenta dello scorso secolo, identificato per la prima volta dall’astronomo svizzero Fritz Zwicky. Quest’ultimo, nel corso delle sue ricerche sul moto rotatorio delle galassie, si accorse che la loro velocità di rotazione non si accordava con la legge della gravitazione universale. Queste osservazioni furono poi sostanziate da ulteriori osservazioni fatte negli anni ‘70 dall’astronoma americana Vera Rubin che, riproducendo gli esperimenti di Zwicky in maniera sistematica, è riuscita a stabilire in maniera incontrovertibile che esiste una discrepanza tra il momento angolare previsto e quello realmente percepito delle galassie. Per riconciliare questo fatto con i paradigmi della gravitazione universale, si è pensato che esista della massa non visibile, che sommata a quella visibile, riconcilia il movimento delle galassie con la teoria della gravitazione. Questa massa non visibile è chiamata materia oscura e la sua esistenza deve essere verificata. Dal punto di vista teorico il modello standard deve essere ampliato per racchiudere la materia oscura, per far ciò si è ipotizzato l’esistenza di particelle conosciute con l’acronimo di WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), in particolari estensioni del modello, che possiedono le caratteristiche che servono per formare la materia oscura. I fisici hanno anche sviluppato, in anni recenti, il paradigma della supersimmetria, un’estensione del modello che prevede l’esistenza di particelle non ancora osservate, la più leggera delle quali sembra essere un’ottima candidata come costituente delle materia oscura. In altri termini, una particella supersimmetrica leggera è un perfetto esempio di possibile WIMP; quindi sappiamo che dobbiamo cercare una particella massiva, sprovvista di carica elettrica, che interagisce solo per interazione debole (e gravitazionale) con la materia.

In che cosa consiste l’esperimento DarkSide-50?
Le Wimp, nella loro accezione più semplice, interagiscono tipo i neutrini, per cui vi è una forte correlazione tra le due ricerche. Queste ultime particelle sono studiate anch’esse nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso da parecchio tempo, l’esperimento Borexino ne è un esempio. Le problematiche tecnologiche e tecniche, che si devono affrontare per cercare le WIMP, sono analoghe a quelle per osservare i neutrini. Per effettuare questa tipologia di esperimenti è necessario essere in un ambiente schermato dalla radiazione cosmica, perciò gli apparati sono sotterranei e, come per i neutrini, occorre anche che i segnali di fondo dovuti alla radioattività naturale siano assenti o comunque minimizzati il più possibile per evitare che alterino i segnali o, peggio ancora, che confondano con falsi positivi. Quindi si tratta di sviluppare tecniche sensibili di rilevazione in condizione di basso fondo. Il cuore di DarkSide-50 è la TPC (Time Projection Chamber), un cilindro riempito di 50 kg di Argon liquido alla temperatura di -189 °C, che costituisce il bersaglio per l’interazione delle ipotetiche WIMP. Il bersaglio è circondato da altri due volumi riempiti, rispettivamente, di scintillatore liquido (realizzato con uno speciale idrocarburo) e di acqua, utilizzati per la riduzione e l’identificazione dei segnali di fondo, cioè di tutte quelle particelle che raggiungono l’esperimento, ma che non sono di interesse per lo studio della materia oscura. Quando un’ipotetica WIMP interagisce con l’Argon produce un duplice segnale, uno luminoso e uno ionizzante, quest’ultimo ottenuto applicando un campo elettrico che evita che gli ioni si ricombinino, e a sua volta convertito poi in segnale di luce. Gli impulsi luminosi sono infine osservati tramite appositi tubi fotomoltiplicatori; dalle caratteristiche del duplice segnale si può riconoscere la efficacemente la tipologia di particella interagente.

Quali sono i tratti distintivi?
L’apparato di DarkSide-50 è ultrasensibile e a bassissimo rumore di fondo: per ottenere questa fondamentale caratteristica sono state sviluppate diverse tecniche innovative per identificare positivamente i segnali di interazioni di WIMP con l’Argon e per comprendere il rumore fondo e, di conseguenza, minimizzarlo. Il primo tratto distintivo è l’uso di Argon estratto dal sottosuolo anziché dall’atmosfera per abbassare drasticamente l’isotopo radioattivo Argon-39; questo isotopo si trova sempre nell’Argon estratto dall’atmosfera essendo prodotto dall’effetto di bombardamento dei raggi cosmici. L’Argon-39 origina segnali proprio nella regione energetica di interesse per l’osservazione delle WIMP, generando falsi positivi. Estraendo l’Argon dal sottosuolo questa problematica è completamente eliminata: infatti l’Argon ottenuto da giacimenti profondi di anidride carbonica, da cui viene poi separato, avendo beneficiato dell’effetto protettivo dai raggi cosmici dello strato di terra e roccia sovrastante, è intrinsecamente esente dalla presenza del suo isotopo radioattivo. L’Argon sotterraneo, in seguito ulteriormente depurato per eliminare altri elementi contaminanti, in particolare l’ossigeno, rappresenta un’autentica innovazione nell’uso dei gas nobili liquefatti per le ricerche di materia oscura, per la quale DarkSide svolge un ruolo assolutamente pionieristico. Il secondo tratto distintivo è il cosiddetto veto per neutroni a scintillatore liquido, una sfera concentrica alla TCP del diametro di quattro metri riempita con 30 tonnellate di una miscela di idrocarburi scintillanti, che serve a bloccare e identificare appunto neutroni di diversa provenienza. Esso agisce in maniera duplice: blocca i neutroni provenienti dall’esterno impedendo loro di raggiungere il nocciolo di Argon del rivelatore, e identifica quelli provenienti dall’interno, dai componenti del rivelatore stesso, e che presumibilmente hanno già avuto un’interazione nell’Argon. Poiché un’ipotetica WIMP invece interagisce nell’Argon e basta, andando a verificare se i segnali nella TPC sono o meno accompagnati da un segnale nello scintillatore liquido si può, in maniera molto efficace, distinguere gli impulsi dei neutroni dai genuini segnali di WIMP. In futuro la duplice di innovazione tecnologica introdotta da DarkSIde-50, applicata sulla scala di alcune tonnellate, spingerà fino all’estremo limite possibile l’indagine sull’esistenza WIMP.

Materia oscura
Le osservazioni astronomiche suggeriscono che la materia oscura è costituita da una nuova specie di particella non-barionica, che deve trovarsi al di fuori del Modello Standard. Questa particella deve anche essere neutra, piuttosto massiccia, stabile e debolmente interagente, quindi le WIMP sono uno dei candidati più promettenti per una particella di materia oscura.

Le fasi del progetto
Il progetto prevede una presa dati triennale, attualmente l’apparato è in presa dati preliminare ed è caricato con Argon normale. In questa fase si effettuano degli studi concettuali sulla sensibilità alla materia oscura e, contemporaneamente, viene calibrato lo strumento. Grazie all’osservazione di molti segnali di Argon-39 è possibile effettuare uno studio sulle caratteristiche di questo fondo, utile per la fase successiva. Il periodo di presa dati a bassissimo fondo dovrebbe iniziare nel dicembre 2014, quando l’apparato sarà caricato con Argon ultrapuro.

di M.Colombini

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