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Fisica delle particelle | "Eccesso di eventi" dall’esperimento XENON1T

11/07/2020

Scienza, cultura e ricerca

Fisica delle particelle | "Eccesso di eventi" dall’esperimento XENON1T

XENON1T, in funzione dal 2016 al 2018, è stato l’esperimento con la migliore sensibilità al mondo per la ricerca diretta di materia oscura. Unife è coinvolta nel progetto con il professor Guido Zavattini del Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra. Qualche settimana fa il team di ricerca ha annunciato che l’analisi dei dati raccolti nei due anni di attività ha messo in luce un eccesso di eventi rispetto alle previsioni

XENON, una collaborazione internazionale per "vedere" la materia oscura

Da diversi decenni si suppone che il tipo di materia di cui è fatto ogni oggetto con cui interagiamo abitualmente costituisca solo una parte di tutta la materia presente nell’universo. Alcune osservazioni indicano che la maggior parte della materia esistente non emette luce o altro tipo di radiazione elettromagnetica e pertanto viene detta materia oscura

Tale materia oscura non è mai stata osservata direttamente, e uno dei progetti esistenti che si pone l’obiettivo della sua rivelazione è la collaborazione internazionale XENON, guidata dalla Professoressa Elena Aprile della Columbia University di New York. Nell’ambito di questa collaborazione è stata realizzata una serie di rivelatori nei Laboratori Nazionali sotterranei del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Scopo dei rivelatori, individuare particelle di materia oscura che dovessero interagire con la materia ordinaria, che in questi dispositivi è rappresentata dall’elemento chimico xenon presente al loro interno in fase liquida.

Tra i rivelatori realizzati dalla collaborazione, l’ultimo in ordine di tempo è XENON1T, il più sensibile al mondo nella ricerca diretta di materia oscura. I risultati dell’analisi dei dati raccolti per due anni dal rivelatore sono stati presentati in un seminario on line tenuto dai laboratori nazionali del Gran Sasso lo scorso 17 giugno. Nella parte dello spettro di più bassa energia erano previsti 232 ± 15 eventi di fondo mentre ne sono stati osservati un totale di 285, ossia 53 eventi in più.

Le ipotesi che potrebbero spiegare "l'eccesso di eventi"

Il fondo di un rivelatore è costituito da segnali dovuti a processi fisici già noti e che possono essere previsti con grande precisione. Al contrario, questo tipo di esperimento ha per oggetto la ricerca di segnali dovuti a processi ancora mai osservati. Il fondo è in gran parte dovuto a decadimenti radioattivi interni al rivelatore con l’emissione di particelle di vario tipo.

Quindi alcune possibili spiegazioni dell’eccesso di eventi osservato si basano su elementi “ordinari” della ricerca, come ad esempio la contaminazione dello xenon con un isotopo dell’idrogeno detto trizio.

Altre spiegazioni, invece, implicano ipotesi che mettono in discussione le attuali conoscenze fisiche. Una di queste ha a che fare con i neutrini, particelle il cui flusso ci investe continuamente senza interagire. Secondo il modello Standard, cioè la teoria che attualmente descrive la materia e le forze fondamentali, i neutrini hanno un piccolo momento magnetico. L’eccesso di eventi potrebbe essere spiegato supponendo che il momento magnetico dei neutrini abbia un valore sostanzialmente maggiore rispetto a quello previsto.

Una delle altre ipotesi candidate a spiegare in modo rivoluzionario l’eccesso di eventi registrati, si basa sull’esistenza di un nuovo tipo di particella: l’assione. Questa particella, introdotta per spiegare alcuni aspetti delle interazioni nucleari, potrebbe essere stata prodotta in grandissime quantità nelle prime fasi di formazione dell’Universo e sarebbe quindi un candidato per la materia oscura (con energia troppo bassa per essere rivelata da XENON1T). Un’altra sorgente intensa di assioni energetici, quindi capaci di indurre segnali nel rivelatore XENON1T, è il sole.

Il professor Guido Zavattini dell’Università di Ferrara, che partecipa alla collaborazione internazionale grazie ai finanziamenti dell’INFN, ha contribuito alla presa dati che ha portato ai risultati pubblicati ed è impegnato nella costruzione della nuova versione dell’esperimento.

Zavattini commenta: Statisticamente l’ipotesi dei neutrini non appare tra le più probabili mentre è favorita l’ipotesi dell’assioneNon parliamo ancora di una scoperta, ma solo di alcuni eventi non previsti. In questa fase delle indagini è necessaria molta prudenza e molta pazienza perché non è ancora possibile dare una risposta definitiva, che potrà arrivare solo grazie agli sviluppi futuri del progetto XENON.

L'esperimento XENON1T presente nei laboratori nazionali del Gran Sasso.

L'esperimento XENON1T presente nei laboratori nazionali del Gran Sasso.

XENONnT. Una nuova versione dell'esperimento per esplorare nuove frontiere

La nuova versione dell’esperimento, che prende il nome di XENONnT, si baserà su un rivelatore con una sensibilità significativamente maggiore rispetto al precedente. Il miglioramento di XENONnT sarà dovuto a un aumento degli eventi potenzialmente rilevabili grazie alla massa di xenon usata, che sarà circa tre volte maggiore, e grazie anche alla riduzione del fondo che si stima sarà un sesto di quello del rivelatore precedente.

Spiega il professor Zavattini: Una tale riduzione del fondo è resa possibile grazie alla modalità di purificazione continua dello xenon contenuto nel rivelatore. Nel caso di XENON1T, lo xenon liquido usato nel rivelatore era trasformato in forma gassosa, purificato e successivamente ricondensato. Invece nel caso di XENONnT sarà purificato direttamente lo xenon liquido, con consequente maggiore efficienza.

Grazie a questo nuovo rivelatore, che dovrebbe iniziare a raccogliere dati entro la fine dell’anno, si spera di avere informazioni utili a risolvere la questione del segnale inatteso che al momento rimane aperta.

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