XENON1T: LA NUOVA GENERAZIONE DI CACCIATORI DI MATERIA OSCURA NEI LABORATORI NAZIONALI DEL GRAN SASSO

L’Universo è spazialmente piatto, omogeneo e isotropico su larga scala. È composto da atomi (circa il 5%), Materia Oscura (27%) e dalla cosiddetta Energia Oscura (68%)

di Alfio Rizzo *

Il ventesimo secolo è stato un periodo di grandi scoperte per la Fisica, sia nel campo teorico che sperimentale.
Le teorie della Relatività Speciale e Generale di Einstein e la Meccanica Quantistica hanno gettato le fondamenta di una nuova via per capire la Natura. Nel campo sperimentale, la scoperta della natura extraterrestre dei raggi cosmici è stata fondamentale per incominciare a capire i fenomeni dell’Universo profondo.

È stato giusto con lo studio delle velocità orbitali degli ammassi di galassie che Fritz Zwicky, nel 1934, postulò l’esistenza di uno sconosciuto tipo di materia, la cosiddetta Materia Oscura, per rendere conto dell’evidenza di materia mancante nelle velocità orbitali. Col passare del tempo altre osservazioni hanno indicato la presenza di Materia Oscura nell’Universo; queste osservazioni includono la velocità rotazionale delle galassie a spirale, e l’effetto lente gravitazionale di oggetti come ammassi di galassie, ad esempio il famoso Bullet Cluster (lett. ammasso a forma di pallottola).

Un possibile scenario per spiegare la discrepanza tra la massa richiesta, necessaria per fornire il potenziale gravitazionale derivato, e la massa osservata è rappresentato dal modello Cold Dark Matter,  o CDM (“Materia Oscura Fredda”), in sostanza particelle non-relativistiche e massive (ordine del GeV[i] o più pesanti) prodotte durante il Big Bang. Questa CDM forma circa il 27% della densità’ di energia dell’Universo, in accordo alle misure dell’esperimento WMAP delle anisotropie di temperatura della Radiazione Cosmica di Fondo (Cosmic Microwave Background, CMB), in combinazione con i dati sull’espansione dell’Universo, dovuta alla legge di Hubble, e le fluttuazioni di densità nell’Universo. La probabilità di interazione termicamente media della Materia Oscura alla temperatura di “raffreddamento” (freeze-out) spiega perché la Materia Oscura può avere solo interazione debole e gravitazionale. In conseguenza di ciò le particelle di Materia Oscura sono chiamate WIMPs, Weakly Interacting Massive Particle, cioè particelle massive che interagiscono debolmente[ii].

Nella moderna cosmologia si parla di concordance model, identificato sotto l’acronimo ΛCDM cioè Lambda-Cold Dark Matter; è detto modello di concordanza perché appunto tenta di interpretare le osservazioni di CMB come pure le osservazioni delle formazioni di grandi strutture (superammassi, filamenti,…), e osservazioni di supernovae che mostrano l’espansione accelerata dell’Universo. Inoltre è il modello conosciuto più semplice che sia in accordo con le osservazioni sperimentali.

Nel modello ΛCDM, l’Universo è spazialmente piatto, omogeneo e isotropico su larga scala. È composto da atomi (circa il 5%), Materia Oscura (27%) e dalla cosiddetta Energia Oscura (68%). Il termine Λ rappresenta la cosiddetta constante cosmologica introdotta da Einstein nelle sue equazioni di campo, la quale è connessa con un’energia di vuoto, detta appunto Energia Oscura, che tiene conto dell’attuale accelerazione dell’Universo.

 

Figura 1: Osservazioni Sperimentali: a) velocità di rotazione delle galassie a spirale, b) lenti gravitazionali (Bullet Cluster), c) anisotropie della Radiazione Cosmica di Fondo. d) Diagramma circolare della composizione dell'Universo: 5% Materia Ordinaria, 27% Materia

Figura 1: Osservazioni Sperimentali: a) velocità di rotazione delle galassie a spirale, b) lenti gravitazionali (Bullet Cluster), c) anisotropie della Radiazione Cosmica di Fondo. d) Diagramma circolare della composizione dell’Universo: 5% Materia Ordinaria, 27% Materia.

Riepilogando, quello che sappiamo attualmente della Materia Oscura, deriva solo dagli effetti macroscopici gravitazionali (vedi Figura 1). Per capire come la Materia Oscura sia distribuita sia su scala galattica, che su scala più ravvicinata, si dovrebbe cercare di rivelare le particelle di Materia Oscura (WIMPs) individualmente.

Gli esperimenti con gli acceleratori di particelle (es. LHC al CERN) stanno scandagliando significanti regioni dei possibili parametri di queste ipotetiche particelle, ma non possono dare una risposta conclusiva sulla loro stabilità o densità rimanente. Mentre, una positiva rivelazione astrofisica di Materia Oscura fornirà una considerevole informazione circa la Fisica “oltre il Modello Standard”[iii]. Da dire che gli esperimenti che puntano a scoprire le WIMPs, in modo diretto o indiretto, avranno bisogno di altre informazioni per poter sbrogliare la loro natura che sia supersimmetrica o extra-dimensionale[iv].

Dunque, solo combinando tutti i contributi che provengono da diversi approcci sperimentali e da osservazioni cosmologiche, si può sperare di far luce sul mistero della Materia Oscura.

La “rivelazione indiretta di Materia Oscura può essere realizzata osservando la radiazione prodotta durante il suo processo di annichilazione[v]. La Materia Oscura infatti continua ad annichilirsi in regioni dove è alta la sua concentrazione, e il flusso della radiazione emessa è proporzionale al tasso di annichilazione. Le regioni dove si dovrebbe generare un significativo flusso di radiazione, data la notevole densità di Materia Oscura accumulata, sono il centro della nostra galassia (la Via Lattea) o il centro di oggetti come il Sole, la Terra, o l’alone attorno alla Via Lattea. Potrebbe anche essere possibile osservare la radiazione di annichilazione proveniente da galassie al di fuori della Via Lattea o da galassie nane dentro la Via Lattea. Quello che si potrebbe osservare è un flusso di elettroni e positroni (l’antiparticella dell’elettrone) prodotti dall’annichilazione di Materia Oscura nell’alone galattico. Diversi esperimenti (PAMELA, ATIC, Fermi LAT) hanno annunciato tali osservazioni. Apparentemente però gli spettri del flusso osservato dai diversi esperimenti non sono concordi tra di loro. Recentemente l’esperimento AMS (un rivelatore di antimateria montato sulla Stazione Spaziale Internazionale) ha misurato un flusso di antimateria (antiprotoni) che potrebbe essere il risultato di annichilazione di Materia Oscura ma allo stesso tempo potrebbe essere causato da pulsar[vi].

Un altro prodotto della annichilazione di Materia Oscura è il neutrino[vii], il quale non essendo immediatamente assorbito come le altre particelle prodotte, può sfuggire dal centro del Sole ad esempio, e viaggiare fino alla superficie della Terra dove può essere rivelato attraverso la sua conversione in un leptone carico[viii]. Quello appena descritto è il metodo di osservazione dei telescopi per neutrini. IceCube, completato nel 2010, è il telescopio per neutrini di un km3 di volume che si trova immerso nei ghiacci del Polo Sud. Il suo scopo principale è rivelare neutrini di altissima energia prodotti da acceleratori cosmici come AGN (Nuclei Galattici Attivi) o GRB (Lampi Gamma). Una sua estensione, chiamata Deep Core, ha invece come scopo la rivelazione di neutrini di bassa energia che possono essere prodotti ad esempio da annichilazione di Materia Oscura.

Un altro telescopio per neutrini è in progetto e sarà costruito negli abissi del Mar Mediterraneo; il futuro KM3NeT sarà complementare ad IceCube nello studio delle comprensioni dei fenomeni di accelerazione dei raggi cosmici.

Se la nostra galassia è piena di WIMPs, allora un numero consistente di esse dovrebbe passare attraverso la Terra ed e alla fine interagire con la materia ordinaria. L’idea di base che sta sotto gli esperimenti per la “rivelazione diretta di Materia Oscura, è misurare l’energia di contraccolpo dei nuclei indotta dalle WIMPs che urtano su di essi. La densità e la velocità di distribuzione delle WIMPs nelle vicinanze del sistema solare e la probabilità di interazione delle WIMPs con protoni e neutroni (detti nucleoni), sono gli ingredienti principali per calcolare il tasso di segnale, il quale dipenderà poi dal tipo di materiale usato come bersaglio e dalla massa totale del rivelatore. Diversi esperimenti sono operativi al momento, i quali usano le tecniche di scintillazione e ionizzazione per rivelare la Materia Oscura e gas nobili come bersaglio, come XENON (che usa appunto lo xenon e di cui parleremo in esteso nei prossimi paragrafi in particolare del costruendo Xenon1T), LUX (xenon) e DarkSide (argon).

Ci sono poi EdelweissII e SuperCDMS che usano le tecniche di scintillazione e dei fononi[ix] e come bersaglio cristalli di germanio. L’esperimento DAMA/LIBRA, il quale usa la tecnica di scintillazione, ha cercato di separare il rumore di fondo dal segnale delle WIMPs, guardando alla modulazione annuale del loro tasso di segnale (l’effetto di modulazione del segnale è dovuto al moto della Terra attorno al Sole).

Figura 2: Sketch della struttura di Xenon1T. Sulla sinistra la water tank con il criostato che contiene la TPC; sulla destra la struttura di servizio con i diversi sottosistemi: a piano terra ReStoX e la Kr-Column, al primo piano la DAQ e l'Elettronica e al secondo piano la Criogenia e la Purificazione.

Figura 2: Sketch della struttura di Xenon1T. Sulla sinistra la water tank con il criostato che contiene la TPC; sulla destra la struttura di servizio con i diversi sottosistemi: a piano terra ReStoX e la Kr-Column, al primo piano la DAQ e l’Elettronica e al secondo piano la Criogenia e la Purificazione.

L’esperimento DAMA/Libra ha rivendicato la scoperta di un segnale di Materia Oscura in accordo con i valori attesi dalla modulazione annuale. Altri esperimenti però non hanno confermato la scoperta rigettando i parametri ricavati da DAMA/LIBRA per descrivere le WIMPs.

Attualmente quello che si può ricavare da tutte le misure degli esperimenti, anche se nessun significativo segnale di Materia Oscura è stato osservato, oltre all’esclusione di certi modelli, è il calcolo di limiti superiori alla probabilità di interazione di essa con la materia ordinaria.

L’esperimento Xenon1T

La costruzione dell’esperimento Xenon1T è incominciata nel 2013 presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italia, dentro la Hall-B; la sua prima fase di commissioning è in corso dall’inizio del 2015. Uno sketch della struttura di servizio di Xenon1T è mostrato in Figura 2.

Il cuore del rivelatore (come i suoi predecessori XENON10 e XENON100) è una camera a proiezione temporale (time projection chamber o TPC) con  xenon[x] a doppia fase (liquido-gas), i cui principi di rivelazione possono essere riassunti come segue: se una particella interagisce con il  bersaglio contenuto dentro la TPC, si produrranno la cosiddetta luce di scintillazione ed elettroni di ionizzazione. Questi ultimi sono trascinati da un campo elettrico applicato verso la fase gassosa che sta al di sopra del liquido, producendo poi la cosiddetta luce proporzionale (vedi Figura 3).

Figura 3: Principio di funzionamento di una TPC due-fasi a xenon liquido. Una particella genera luce primaria di scintillazione (S1) ed elettroni di ionizzazione. Questi ultimi sono trascinati dal campo elettrico (Ed) e rivelati attraverso luce secondaria di scintillazione nella fase gassosa (S2). La distribuzione di S2 (xy) e la velocità di trascinamento (z) danno informazioni complete sulla posizione dell'evento. In aggiunta, il rapporto S2/S1 permette la discriminazione tra interazioni nucleari (WIMPs, neutroni) e interazioni elettroniche (γ, β).

Figura 3: Principio di funzionamento di una TPC due-fasi a xenon liquido. Una particella genera luce primaria di scintillazione (S1) ed elettroni di ionizzazione. Questi ultimi sono trascinati dal campo elettrico (Ed) e rivelati attraverso luce secondaria di scintillazione nella fase gassosa (S2). La distribuzione di S2 (xy) e la velocità di trascinamento (z) danno informazioni complete sulla posizione dell’evento. In aggiunta, il rapporto S2/S1 permette la discriminazione tra interazioni nucleari (WIMPs, neutroni) e interazioni elettroniche (γ, β).

La luce di scintillazione (segnale S1) è prontamente rivelata, mentre la luce proporzionale (segnale S2) è ritardata dal tempo di trascinamento degli elettroni. Il segnale S2 è un segnale localizzato che permette la ricostruzione delle coordinate (x,y) dell’interazione; la coordinata z può essere poi calcolata dalla differenza temporale tra i segnali S1 e S2.

Il principio di discriminazione tra l’ipotetico segnale (WIMP) e le particelle di fondo si delinea dal diverso bersaglio con cui sono soggetti ad interagire: nuclei per le WIMPs e la nube elettronica che circonda i nuclei per le particelle di fondo. Le interazioni nucleari ed elettroniche hanno allora un rapporto differente del segnale S2 verso S1, così da consentire la loro separazione attraverso analisi posteriori dei dati. Lo studio della risposta del rivelatore ad interazioni nucleari ed elettroniche è ottenuto attraverso campagne di calibrazione, con sorgenti di neutroni e raggi gamma rispettivamente.

Lo xenon liquido, mantenuto ad una temperatura attorno ai -91 ºC da un sistema criogenico composto da due PTR (pulse tube refrigerator[xi]) in ridondanza, più un sistema di emergenza ad azoto liquido (vedi figura 4), si presta ottimamente come materiale bersaglio per esperimenti di rivelazione diretta di Materia Oscura: è un elemento pesante e denso (maggiore probabilità di interazione delle WIMPs), ed è un efficiente scintillatore.

Il rivelatore Xenon1T conterrà circa 3.3 tonnellate di ultra-puro xenon liquido (circa 2 tonnellate dei quali saranno usate come volume attivo dentro la TPC), il quale fornisce un’eccellente discriminazione tra interazioni nucleari o elettroniche. Un’altra notevole proprietà dello xenon liquido è la sua capacità auto-schermante: il volume esterno dello xenon effettivamente scherma la parte interna da interazioni di fondo che avvengono al di fuori della TPC. Quest’ultima sarà attrezzata in alto e in basso di un totale di 248 tubi fotomoltiplicatori (PMT[xii]) a bassa radioattività, e il suo volume sarà tenuto sotto un campo elettrico omogeneo.

Figura 4: Al centro il sistema di criogenia (in corso di costruzione) di Xenon1T con le torri di raffreddamento. Sulla sinistra il sistema di purificazione dello xenon liquido.

Figura 4: Al centro il sistema di criogenia (in corso di costruzione) di Xenon1T con le torri di raffreddamento. Sulla sinistra il sistema di purificazione dello xenon liquido.

Un sistema chiamato ReStoX, installato ad Agosto 2014 (vedi figura 5), sarà usato per depositare e recuperare lo xenon. È una sfera di acciaio inossidabile a doppie pareti di 2.1 m di diametro, capace di trattenere lo xenon in diverse condizioni termiche, anche in fasi differenti, sotto condizioni di alta purezza. Per questo scopo è ben isolata e dotata di un sistema sofisticato di raffreddamento capace di fornire un’efficace potenza di raffreddamento con alta risposta. Il sistema di raffreddamento si basa sull’azoto (gassoso e liquido), così da mantenere le funzionalità di ReStoX totalmente indipendenti da possibili guasti alla rete elettrica. Lo xenon depositato potrà essere continuamente purificato grazie a una dedicata connessione attraverso uno scambiatore di calore con il sistema di purificazione di Xenon1T (vedi figura 4), il quale richiede xenon in fase gassosa. Come sistema di recupero, ReStoX fa uso del semplice principio dei vasi comunicanti. ReStoX sarà sempre mantenuto a bassa pressione e in caso di un recupero (intenzionale o di emergenza) dal criostato, la pressione del criostato sarà abbastanza da spingere lo xenon liquido attraverso una linea dedicata connessa a ReStoX. Tutto lo xenon liquido sarà trasferito un modo naturale una volta che il trasferimento incomincia.

Per ottenere il rivelatore più sensibile alla rivelazione di Materia Oscura, si devono ridurre le sorgenti di rumore di fondo approssimativamente allo zero. Una delle sorgenti di rumore di fondo è rappresentata dai muoni cosmici i quali producono neutroni secondari nella loro interazione nelle vicinanze del rivelatore, producendo così interazioni nucleari di fondo. Anche se il flusso di muoni è ridotto considerevolmente nel luogo del rivelatore (il LNGS sta sotto 3600 m di acqua equivalente), il tasso residuo di muoni inducenti neutroni può rappresentare ancora disturbo nella regione del segnale.

Figura 5: Sulla destra la sfera in acciaio inossidabile ReStoX per immagazzinare e recuperare lo xenon; è stato messo in situ nell'agosto del 2014. A sinistra è mostrato il suo sistema di controllo remoto (PLC e touchscreen) dentro un armadio a 19-pollici.

Figura 5: Sulla destra la sfera in acciaio inossidabile ReStoX per immagazzinare e recuperare lo xenon; è stato messo in situ nell’agosto del 2014. A sinistra è mostrato il suo sistema di controllo remoto (PLC e touchscreen) dentro un armadio a 19-pollici.

Per evitare ciò, la TPC ed il suo criostato saranno immersi in 700 t di acqua pura contenuta in un serbatoio di acciaio inossidabile. Il serbatoio è attrezzato con 84 PMTs che agiscono da veto per i muoni. Il serbatoio è stato completato nell’autunno del 2013 ed è mostrato sulla sinistra della figura 6; sulla destra della stessa figura è mostrata la struttura di servizio di Xenon1T la quale è stata completata all’inizio del 2014.

Lo xenon è commercialmente ottenuto dalla frazione distillata dell’aria, la quale contiene una certa dose di contaminazione di gas kripton. Quest’ultimo è una sorgente intrinseca di rumore di fondo dal momento che una minima parte del kripton si trova come isotopo instabile, il quale emette particelle β (elettroni). L’unico modo per ridurre tali impurità da kripton è via distillazione; quindi prima di iniziare la presa dati, tutto lo xenon passerà attraverso una colonna di distillazione con lo scopo di ridurre il livello di contaminazione alla parte per tonnellata. Per filtrare lo xenon da impurità elettronegative come O2, N2 e H20, esso sarà fatto circolare in un sistema di purificazione dotato di getters (vedi figura 4).

Le stime delle differenti sorgenti di rumore di fondo sin qui discusse, provengono dalla premessa che l’analisi dei dati di Xenon1T avrà una simile accettanza del segnale e rigetto del rumore di fondo in confronto alle analisi effettuate con XENON100. Sotto questa ipotesi, l’aumento della massa totale (fino a 3 tonnellate), in coppia con la riduzione significativa del livello di rumore di fondo, permetterà di migliorare la sensibilità alla probabilità di interazione con le WIMPs, rispetto a XENON100, di due ordini di grandezza.

Figura 6: Sulla sinistra il serbatoio in acciaio inossidabile con un'altezza di circa 10 m e un diametro di 9.6 m. Il sistema è attrezzato per funzionare come rivelatore Cherenkov; il suo sistema di veto.

Figura 6: Sulla sinistra il serbatoio in acciaio inossidabile con un’altezza di circa 10 m e un diametro di 9.6 m. Il sistema è attrezzato per funzionare come rivelatore Cherenkov; il suo sistema di veto.

L’esperimento Xenon1T è stato designato per permettere la rapida costruzione di un nuovo rivelatore con una massa totale di xenon fino alle 7 tonnellate, chiamato Xenon1T Upgrade. Questo nuovo rivelatore potrà essere realizzato usando le stesse infrastrutture per la criogenia e la purificazione di Xenon1T e sarà ospitato nello stesso serbatoio d’acqua di Xenon1T.

La costruzione dell’Upgrade del rivelatore è prevista per l’inizio del 2018, e sarà parallela assieme alle presa dati di Xenon1T. Molte delle installazioni del rivelatore sono state concepite per essere riusate per ospitare una TPC di maggiori dimensioni senza sostanziali modifiche.

Una volta completato, entro il 2015, Xenon1T sarà provato essere come l’esperimento più sensibile alla rivelazione di Materia Oscura al mondo intero. Xenon1T raggiungerà la sua sensibilità dopo 2 anni di operazioni in condizioni stabili.

Per concludere, l’esperimento Xenon1T è in corso di costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso. È correntemente sotto la fase di commissioning e i primi risultati sono previsti per la fine del 2015. Con Xenon1T e il programmato Upgrade di esso, la Collaborazione XENON mira a rimanere in prima linea nell’eccitante e impegnativo campo della rivelazione diretta di Materia Oscura.

Slides (a cura di Alfio Rizzo)

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Bibliografia

  • D. H. Perkins, Particle Astrophysics, 2nd edition, Oxford University Press 2009
  • A. Rizzo, Search for neutralino dark matter with 6 years of data of the AMANDA-II neutrino telescope, VUBPRESS Brussels University Press 2010, ISBN 978 90 5487 844 5
  • E. Aprile et al. (XENON100), The XENON100 Dark Matter Experiment, Astropart. Phys. 35, 573-590 (2012), http://arxiv.org/pdf/1107.2155
  • E. Aprile et al. (XENON100), Dark Matter Results from 225 Live Days of XENON100 Data, Phys. Rev. Lett. 109, 181301 (2012), http://arxiv.org/abs/1207.5988
  • Aprile et al. (XENON1T),The XENON1T Dark Matter Search Experiment, http://arxiv.org/abs/1206.6288v1

 

* Alfio Rizzo (per la Collaborazione XENON)
ar3081@columbia.edu
Dipartimento di Astrofisica, Columbia University in the City of New York, USA

 

[i]
Il GeV è una unità di misura di massa (energia) in Fisica delle Particelle, corrispondente ad un miliardo (o Giga) di elettronvolt, cioè 109 eV.

[ii]   L’interazione “debole” è  una delle quattro interazioni fondamentali della Fisica, oltre alle note interazioni gravitazionale, elettromagnetica e nucleare forte.

[iii]             Il cosiddetto Modello Standard della Fisica descrive tre delle interazioni fondamentali (elettromagnetica, debole e nucleare forte) attraverso particelle fondamentali (quark e leptoni), ma non descrive l’interazione gravitazionale, né tiene conto della Materia Oscura.

[iv]            Le teorie Supersimmetrica (SUSY) e Extra-Dimensionale (KK) vanno oltre il Modello Standard.

[v]             L’annichilazione è il risultato dell’incontro di una particella con la sua antiparticella (stessa massa ma carica elettrica opposta), con il risultato della scomparsa delle masse e conseguente flusso di radiazione.

[vi]            Una pulsar è una “sorgente radio pulsante” ; è una stella di neutroni in rapida rotazione attorno a un proprio asse.

[vii]           Il neutrino è una particella elementare di massa quasi nulla e di carica elettrica nulla (appartiene alla famiglia dei leptoni).

[viii]          Il gruppo dei leptoni carichi è formato dal ben conosciuto elettrone, poi ci sono il muone e la particella tau.

[ix]            I fononi sono “quasiparticelle”costituite da un modo normale “quantizzato” di vibrazione di un mezzo elastico. Intervengono in vari fenomeni di scambio energetico (ad esempio calore) tra gli atomi di un cristallo e le radiazioni.

[x]             Lo xenon appartiene al gruppo dei cosiddetti gas nobili; liquefatto diventa un ottimo materiale scintillatore.

[xi]           Il PTR è un sistema di raffreddamento ad elio che usa i principi della termodinamica come in un normale frigorifero.

[xii]          I tubi fotomoltiplicatori, sfruttando l’effetto fotoelettrico descritto da A. Einstein, raccolgono la luce (fotoni) convertendola in un segnale elettrico.



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