Immagine via INFN
in foto: Immagine via INFN

Il suo nome è XENON1T ed è il nuovo raffinatissimo e sofisticatissimo strumento per rivelare la materia oscura che lavorerà ben protetto nei laboratori sotterranei del Gran Sasso, schermato da una roccia di circa 1.400 metri: è frutto di una collaborazione internazionale che vede all'opera 21 gruppi di ricerca provenienti da Paesi europei ed extraeuropei. Tra questi, naturalmente, anche l’Italia che partecipa all'esperimento, assieme ai Laboratori del Gran Sasso, con l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e con le università di Bologna e Torino.

Fare luce nella materia oscura

«Illuminare l’oscurità»: questo lo slogan scelto dai ricercatori di XENON1T che rende bene l’idea di quale sia l’ambizioso obiettivo del progetto. L’sperimento, infatti, sarà una vera e propria trappola per la materia oscura, uno degli ingredienti base del cosmo, cinque volte più abbondante della materia ordinaria e costituente circa un quarto dell’intero universo ma, ciononostante, estremamente “sfuggente”. I fisici sanno che esiste, che non assorbe né emette luce: ma ignorano quale sia la sua natura.

Noi prevediamo che circa 100.000 particelle di materia oscura attraversino ogni secondo una superficie pari a quella di un'unghia. Il fatto che non le abbiamo già osservate ci dice, tuttavia, che la loro probabilità di interagire con gli atomi dei nostri rivelatori è molto piccola, e che abbiamo, pertanto, bisogno di strumenti più grandi e più sensibili per trovare le rare firme di queste particelle. – Gabriella Sartorelli, coordinatrice del gruppo di ricercatori italiani

La struttura di XENON1T

XENON1T promette di riuscire ad indagare in questo mondo ancora estremamente misterioso, purché siano rispettate le condizioni necessarie alla cattura delle particelle di materia oscura. Anzitutto la schermatura dai raggi cosmici, possibile nei laboratori del Gran Sasso, che aiuta a realizzare quello che i fisici chiamano silenzio cosmico. Occorre, poi, che l’esperimento sia idoneo a rivelare i rarissimi eventi di interazione tra materia oscura ed ordinaria: per fare ciò, i fisici hanno scelto di usare un gas nobile ultrapuro, lo xenon, raffreddato alla temperatura di -95° Celsius che consente di mantenerlo allo stato puro.

Il rivelatore è il cuore dell’esperimento e serve ad inviare segnali quando le particelle interagiscono al suo interno; è immerso in un criostato – un thermos – in acciaio inossidabile a bassa radioattività contenente circa 3.500 chili di xenon liquido. A sua volta questo thermos è immerso in 700 metri cubi di acqua ultra-pura e si trova all'interno di un contenitore alto circa 10 metri attrezzato con 84 fotomoltiplicatori. Tale sovrapposizione di strati protettivi è indispensabile per garantire una schermatura dalla radioattività ambientale e dai muoni (particelle elementari) cosmici, questi ultimi rilevabili grazie al sistema di fotomoltiplicatori.

Come si raccolgono i dati

Entro la fine dell'anno XENN1T inizierà il suo lavoro di presa dati: ma in che modo? Basandosi – spiegano gli esperti dell'INFN – sui modelli teorici più accreditati, che prevedono che il vento di particelle prodotto dal movimento della Terra nell'alone di materia oscura che avvolge la nostra galassia possa occasionalmente colpire i nuclei atomici di un materiale rivelatore, depositando una quantità di energia tanto piccola da poter essere osservata soltanto con uno strumento di grande sensibilità.

Le rare interazioni con particelle di materia oscura producono nello xenon liquido sia un lampo di luce primario sia un segnale di carica che genera un secondo segnale di ritardato. Per catturare tali segnali luminosi, ci sono 248 fotomoltiplicatori con occhi in grado di individuare ciascun singolo fotone: i fisici potranno poi analizzare i dati raccolti da XENON1T per misurare l'energia e la posizione dell'interazione, oltre alla natura della particella.

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 stanno già guardando oltre. – Walter Fulgione, Laboratori Nazionali del Gran Sasso