Xenon1T alla ricerca della materia oscura

Xenon1T è stato inaugurato nel 2014, con l’obiettivo di decifrare uno dei più grandi misteri dell’universo: che cos’è la materia oscura, quella materia invisibile e incomprensibile che compone un quarto dell’Universo?

Per cinque anni l’esperimento è andato avanti, nel cuore del Gran Sasso. Ma il successo più grande lo ha raggiunto quest’anno, con la misurazione del processo più raro dell’universo: il decadimento dello xenon-124.

Xenon1T

“Illuminare l’oscurità” è lo slogan scelto cinque anni fa per inaugurare l’esperimento che aveva l’ambizioso progetto di far luce su alcuni dei più grandi misteri dell’universo, che voleva illuminare la materia oscura.

L’esperimento ha luogo nei laboratori nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Prendono parte all’esperimento ben 21 gruppi di ricerca provenienti, oltre che dall’Italia, da Stati Uniti, Germania, Svizzera, Francia, Portogallo, Paesi Bassi, Israele, Svezia e Abu Dhabi. A coordinare l’esperimento l’italiana Elena Aprile.

L’esperimento consiste in una vera e propria trappola per la materia oscura. Lo ha spiegato la stessa Elena Aprile: “Per vedere le rare interazioni delle particelle di materia oscura con un rivelatore, è necessario costruire uno strumento con una grande massa e una radioattività estremamente bassa, altrimenti il rischio è non avere alcuna chance di distinguere un evento dovuto alla materia oscura fra tanti altri segnali che costituiscono il rumore freddo”.

È quindi per questa ragione che è stato dato il via all’esperimento Xenon1T.

L’esperimento e la materia oscura

Per l’esperimento gli scienziati hanno bisogno del cosiddetto “silenzio cosmico”. Si è scelto quindi di svolgere l’esperimento nel laboratorio italiano di fisica nucleare, protetto da 1400 metri di roccia, nelle viscere della montagna.

La struttura che ospita l’esperimento appare enorme. Un cilindro alto circa 10 metri con 700 metri cubi di acqua purissima. Al suo interno è immerso un altro cilindro, contenente 3500 kg di xenon, un gas nobile ultrapuro, raffreddato a -95°. A sua volta esso contiene, infine, il TPC, la Camera a Proiezione Tempo, il rilevatore di materia oscura, cuore dell’esperimento.

“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”, spiegava Gabriella Sartorelli, coordinatrice di uno dei 21 gruppi di ricercatori, quello italiano, nel 2014.

Ed è così che da cinque anni a questa parte il rilevatore continua la sua instancabile ricerca della materia oscura.

L’evento più raro dell’universo

Il risultato ottenuto da Xenon1T si è guadagnato addirittura la copertina della rivista Nature. Si tratta dell’evento più raro dell’universo mai osservato: il decadimento dello xenon-124. Il decadimento innesca un processo che trasforma lo xenon-124 in tellurio-124. Il processo prende il nome di doppia cattura elettronica.

Marco Selvi, responsabile nazionale INFN per quanto riguarda l’esperimento Xenon1T, ha spiegato: “In pratica due protoni di un nucleo di xenon catturano due elettroni della nuvola circostante, trasformandosi in due neutroni con l’emissione di due neutrini e di una quota fissa d’energia, pari a 64.000 elettronvolt”.

La scoperta, inoltre, è stata del tutto casuale. Selvi, infatti, aggiunge: “Si tratta di una misura inattesa ottenuta, come spesso accade nella scienza, mentre stavamo cercando altro, la materia oscura che dà forma a circa un quarto del cosmo. Questo risultato potrà fornire informazioni preziose sulla struttura dei nuclei, utili nello studio di altri processi ancora più rari, come il cosiddetto decadimento doppio-beta senza neutrini, che ci dirà se il neutrino si comporta come la sua antiparticella, come aveva previsto Ettore Majorana circa un secolo fa. Un risultato quello odierno che permette di allargare il nostro campo di indagine, e aiutarci a esplorare il mondo dei neutrini, dalla loro natura alla loro massa, particelle importanti per l’evoluzione dell’universo”.

Inoltre, la scoperta arriva proprio a ridosso di una svolta nel corso dell’intero esperimento. Il risultato ha infatti mostrato al mondo il potenziale di Xenon1T e la sua grande sensibilità, in condizioni di estrema purezza. Ma questo sarà presto affiancato, per la fine del 2019, dal suo successore, un rilevatore che lavorerà con una sensibilità 10 volte maggiore, per scandagliare i misteri della materia oscura.

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