Esperimento XENON sotto il Gran Sasso alla ricerca della materia oscura

XENON, rilevatore di materia oscura. Crediti: Zina Deretsky, National Science Foundation

Oggi, gli scienziati dall’esperimento XENON, in corso sotto i laboratori del Gran Sasso, hanno annunciato il risultato della loro ricerca sulla componente più elusiva dell’Universo, conosciuta come materia oscura.

Dopo aver analizzato 100 giorni di dati raccolti con l’esperimento XENON100, non hanno ancora alcuna prova dell’esistenza delle Weakly Interacting Massive Particles (WIMP), le principali candidate a costituire, secondo le ipotesi, la misteriosa materia oscura. L’esperimento XENON100 è stato effettuato nelle profondità del Laboratorio Nazionale del Gran Sasso, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare italiano (INFN).

Il gruppo ha osservato tre eventi, due erano stati previsti in corrispondenza alla radiazione di fondo. Questo nuovo risultato si traduce nella più alta sensibilità riportata da un esperimento sulla materia oscura fino ad oggi, e serve a limitare ulteriormente i modelli di della nuova fisica delle particelle di materia oscura, che contribuirà a precisare le ricerche future sulle WIMP. Un documento sui risultati è stato presentato nella rivista Physical Review Letters.

Una osservazione diretta delle WIMP collegherebbe le più grandi strutture osservate nell’universo con il mondo della fisica delle particelle subatomiche. Anche se nessuna rilevazione può essere ancora confermata, il livello di sensibilità raggiunto dall’esperimento XENON100 potrà consentire una rilevazione effettiva nel prossimo futuro.

XENON100 è un dispositivo ultra-sensibile, con strati di acqua appositamente progettati, piombo, rame e altre schermature, per filtrare le radiazioni e le altre fonti di energia che potrebbero causare un falso segnale. Questo anche perché l’esperimento si effettua sotto un chilometro di roccia e terra e questi materiali aiutano a schermare il rivelatore dalle radiazioni cosmiche che bombardano costantemente la Terra.

Il rilevatore XENON100 usa 62 kg di xeno liquido come obiettivo per le WIMP, e misura la piccola carica e i segnali luminosi che ci si aspetta quando le collisioni tra rare WIMP e gli atomi di xeno hanno luogo. Lo xeno – lo stesso elemento usato per costruire i nuovi fari delle automobili dai riflessi bluastri – è usato in questo esperimento perché ha un nucleo di grandi dimensioni, che può entrare in collisione con le WIMP. Quando ad esempio si verifica una collisione, essa fa emettere all’atomo una luce bluastra e una carica che gli scienziati sono in grado di rilevare con l’alta sensibilità delle telecamere posizionate alle due estremità del rivelatore.

Le osservazioni cosmologiche indicano una fotografia del nostro Universo in cui la materia ordinaria come noi la conosciamo costituisce solo circa il 4 per cento, mentre le nuove, ma mai osservate, forme della cosiddetta materia oscura o energia oscura costituiscono il resto. Ciò è coerente anche con le idee su piccola scala, in quanto anche le estensioni interessanti del Modello Standard della fisica delle particelle suggeriscono che le nuove particelle esotiche, che sono candidate a costituire la materia oscura, esistono. Questo rende le Weakly Interacting Massive Particles di interesse sia per la fisica delle particelle che per la cosmologia. Così, la ricerca delle WIMP è ben motivata, e una rilevazione diretta è un pezzo fondamentale delle informazioni che potrebbero confermare questa nuova immagine del nostro Universo. I nuovi dati del 2011 e il piano di collaborazione per costruire un esperimento molto più grande con 2500 kg di xeno nei prossimi anni promettono un decennio entusiasmante verso la soluzione di uno dei misteri fondamentali della natura.