DarkSide-50, il nuovo cacciatore di materia oscura

Non è il nome di un supereroe o di un nuovo film sci-fi, DarkSide-50 è il nome di un esperimento dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), i cui risultati sono stati presentati qualche giorno fa alla University of California di Los Angeles.

Scopo di DarkSide-50 è scovare la materia oscura, ossia quello che si suppone comporre il 26% dell'universo ed essere presente nello stesso in quantità cinque volte maggiore rispetto alla materia ordinaria, della quale siamo composti tutti noi. Si cela alla vista e agli strumenti attuali, perché non assorbe né emette luce, eppure, detto in termini molto pratici, se non esistesse, non sapremmo spiegarci la teoria del Big Bang dal quale l'universo avrebbe tratto origine e le ragioni della formazione delle galassie, perché la sola attrazione gravitazionale della materia visibile non basterebbe alla formazione dell'Universo per come lo vediamo oggi.

Cosa sta avvenendo sotto i 1400 metri di roccia del massiccio del Gran Sasso in questo momento? È in corso una vera a propria caccia alle WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), le particelle della quale si suppone sia composta la materia oscura, che interagirebbero, sia pur debolmente, con la luce ordinaria.

DarkSide-50 non ha l'aspetto di un oggetto di design, anche se per un appassionato di scienza è bellissimo. Inserita in contenitore cilindrico del diametro di 11 metri in acciaio inossidabile con un'intercapedine dove sono stoccate 1000 tonnellate d'acqua e 80 fotoamplificatori per la luce in acqua, c'è una sfera di 4 metri di diametro in acciaio contenente 30 tonnellate di scintillatore liquido e 110 fotomoltiplicatori per lo scintillatore.

Inoltre all'interno della sfera è contenuto il vero e proprio bersaglio, il rilevatore di WIMP, un cilindro contenente 50 kg di Argon liquido (a -189°) e 38 fotomoltiplicatori per la luce prodotta dalle WIMP nell'Argon.

"Utilizzando in questa prima fase normale Argon di derivazione atmosferica è stato possibile valutarne in maniera accurata le prestazioni fondamentali, – ha spiegato Giuliana Fiorillo, dell'Università di Napoli e responsabile italiana di DarkSide-50 – in particolare, purezza del materiale, resa di luce e capacità di discriminazione degli impulsi di segnale da quelli di rumore hanno eguagliato e per certi versi superato le aspettative."

Lo scopo della stratificazione è infatti è bloccare i raggi cosmici mediante lo strato di 1400 metri di roccia, identificarli con il cilindro con l'acqua, schermare il bersaglio dai neutroni mediante la sfera. L'interazione nell'Argon liquido di una WIMP produce lampi di luce che vengono raccolti come segnali di luce. Similmente nello scintillatore e nell'acqua quando interagiscono rispettivamente neutroni e raggi cosmici questi vengono filtrati dai segnali utili.

L'importanza di ottenere un segnale più pulito possibile è stata ribadita da Aldo Ianni, responsabile Divisione Ricerca dei LNGS: "Per la prima volta questa schermatura è stata realizzata in un apparato per la materia oscura, aprendo la strada alla prospettiva di una rivelazione di WIMP effettivamente senza rumore di fondo".

Come ogni esperimento scientifico, anche questo passa attraverso la meticolosa raccolta di informazioni. "Questa prima fase di raccolta dati ci sta dando grandi soddisfazioni. L'esperimento funziona davvero bene, possiamo dire addirittura meglio di quanto ci aspettassimo," ha dichiarato Gioacchino Ranucci, sezione INFN di Milano, uno dei due coordinatori del progetto. "I dati presentati alla conferenza – prosegue Ranucci – scaturiscono dal primo periodo di funzionamento dell'apparato avviato nello scorso mese di novembre, ed è assolutamente rimarchevole che, in un così breve lasso di tempo, sia stato possibile non solo effettuare la messa in opera del rivelatore, ma già produrre risultati di grande implicazione tecnologica, che sottolineano in maniera univoca come l'Argon sia una scelta ottimale per le successive fasi di ricerca della materia oscura". 

"I risultati appena presentati lasciano presagire sviluppi di enorme interesse per lo stadio successivo dell’esperimento," ha commentato Cristiano Galbiati dell'Università di Princeton, altro coordinatore del progetto. "Quando, infatti, l'Argon normale sarà sostituito con Argon ultrapuro, di cui ci stiamo approvvigionando negli Stati Uniti, sarà possibile avviare un lungo periodo di caccia alle WIMP che, grazie alle proprietà appena dimostrate, sarà connotato da interessantissime caratteristiche di sensibilità, soprattutto nella regione delle WIMP ad alta massa, i più probabili candidati secondo la teoria".

DarkSide-50 è finanziato dall'INFN, dalla National Science Foundation (NSF) e dal Department of Energy (DOE) ed è frutto di una collaborazione internazionale a cui partecipano anche gruppi provenienti da Francia, Polonia, Ucraina, Russia e Cina.