Il processo più raro mai osservato nell'universo

Nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, l'esperimento XENON1T

L’esperimento XENON1T, impegnato nella ricerca diretta di materia oscura ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha rilevato per la prima volta il processo di decadimento più raro mai osservato in modo diretto. Si tratta della doppia cattura elettronica dell’isotopo xenon-124: un evento la cui vita media è mille miliardi di volte maggiore dell’età dell’universo. La scoperta – che ha conquistato la copertina dell’ultimo numero di Nature – permetterà ai ricercatori di ottenere informazioni utili non solo per i modelli sulla struttura nucleare ma anche per altri esperimenti che studiano processi rari.

Al lavoro su XENON1T fin dalla sua partenza, nel 2009, ci sono diversi gruppi di ricerca italiani, coordinati da Marco Selvi della sezione INFN di Bologna, tra cui quello guidato dalla professoressa Gabriella Sartorelli, docente al Dipartimento di Fisica e Astronomia dell’Università di Bologna. “Il nostro gruppo di ricerca è stato tra i principali responsabili della progettazione, costruzione e messa in opera del sistema che permette di ridurre il fondo proveniente da diverse sorgenti, dalla radioattività fino ai raggi cosmici, ed è coinvolto anche nel gruppo di simulazione Monte Carlo per la predizione e ottimizzazione delle prestazioni del rivelatore", spiega la professoressa Sartorelli. “Oltre ai ricercatori del gruppo, molti studenti, dottorandi e post-doc dell'Alma Mater sono stati coinvolti sia nella costruzione dell'esperimento sia in vari aspetti dell'analisi che hanno portato a questo nuovo importante risultato".

Il gruppo di ricerca dell'Università di Bologna impegnato nell'esperimento XENON1T

Gli scienziati dell’esperimento XENON1T hanno misurato per la prima volta in modo diretto un particolare processo dello xenon-124 chiamato, appunto, doppia cattura elettronica, in cui esso si trasforma in tellurio-124. Due protoni del nucleo di xenon catturano simultaneamente due elettroni del primo livello circostante, trasformandosi in due neutroni, con l’emissione di due neutrini. La nuvola elettronica reagisce alla mancanza dei due elettroni catturati con un processo a cascata, che porta all’emissione di una quantità di energia fissa.

XENON1T è un rivelatore cilindrico, di circa un metro di diametro e altezza, riempito di xenon liquido alla temperatura di -95°C, con una densità tre volte maggiore di quella dell’acqua. In XENON1T la prova dell’interazione di una particella con un nucleo di xenon è data da un debole lampo di luce di scintillazione accompagnato da una “manciata” di elettroni, i quali a loro volta sono convertiti in un lampo di luce una volta raggiunta la regione di xenon gassoso. Entrambi i segnali luminosi sono registrati grazie a fotosensori ultrasensibili, e permettono di ottenere l’informazione sulla posizione 3D e l’energia evento per evento.

L'esperimento ha come principale obiettivo scientifico la ricerca diretta di materia oscura sotto forma di WIMP (particelle massive debolmente interagenti), ed è attualmente il rivelatore più grande mai realizzato per questo scopo, con una massa sensibile di due tonnellate di xenon, e allo stesso tempo presenta il più piccolo fondo mai ottenuto. Grazie a queste caratteristiche dal 2017 è l’esperimento più sensibile per la ricerca di WIMP.

Il rivelatore XENON1T ha acquisito dati di alta qualità fino alla fine del 2018. Ora la ricerca proseguirà con il progetto XENONnT: un upgrade tecnologico dello stesso rivelatore che consentirà un incremento della massa sensibile di un fattore tre e un’ulteriore riduzione del fondo di un ordine di grandezza. XENONnT sarà pronto entro la fine del 2019 per iniziare una nuova esplorazione della materia oscura e di altri processi rari, con un livello di sensibilità circa 10 volte migliore di quello attuale.