Xenon1T, parte dal cuore del Gran Sasso la caccia alla materia oscura

Bentornati a ScientificaMente, l’appuntamento settimanale dell’Agenzia DIRE dedicato allo Spazio e alla scienza. Questa settimana il nostro approfondimento è sul nuovo cacciatore di materia oscura, una ‘trappola’ custodita nei laboratori del Gran Sasso

Nelle news:

  • ADDIO AL SOGNO DI VIAGGIARE INDIETRO NEL TEMPO
  • DA TORINO ALLA NASA IL MODULO DI ORION
  • CASSIS, PRIMA TAPPA VERSO MARTE
  • I MILLE (E PIU’) LAMPI DI SWIFT

‘Illuminare l’oscurità’ è la poetica formula scelta dai ricercatori per essere ispirati nella caccia alla materia oscura. Seguendo questo motto un team internazionale proverà a catturare ciò che finora è sempre sfuggito: le particelle di quella materia che compone il 25% dell’Universo e che noi non vediamo. E’ questo il fulcro dell’esperimento XENON1T, nato nel cuore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto nazionale di Fisica Nucleare (Infn) grazie alla collaborazione tra Italia, Stati Uniti, Germania, Svizzera, Portogallo, Francia, Paesi Bassi, Israele, Svezia e Abu Dhabi. A coordinare il progetto è l’italiana Elena Aprile, in forze alla Columbia University.

Ma in che cosa consiste XENON1T? Gli addetti ai lavori lo definiscono una vera e propria ‘trappola’ per la materia oscura. Di fatto si tratta di individuare l’interazione della materia oscura con quella ordinaria affidandosi a un rivelatore potente e raffinato, la Camera a Proiezione di Tempo (Tpc). Lo strumento funziona grazie alla sua immersione nello Xenon, gas nobile ultrapuro, raffreddato fino ai 95 gradi sotto zero e mantenuto allo stato liquido in un’immensa vasca in acciaio in grado di contenerne 3500 chili. La ‘vasca’ a sua volta è contenuta in 700 metri cubi di acqua ultrapura, dentro a un contenitore alto come un palazzo. Tutto questo per preservare un ambiente quanto più possibile schermato dalle radiazioni e dai raggi cosmici, verso cui la corazza principale è costituita dalla rassicurante solidità di 1400 metri di spessore di roccia del Gran Sasso. Senza tutte queste ‘protezioni’ l’esperimento sarebbe inapplicabile. E la materia oscura ancora più sfuggente.

Tecnicamente, quando lo Xenon liquido interagisce con la materia oscura, ‘soffiata’ dal movimento della Terra all’interno del suo alone nella via Lattea, una piccola quantità di energia finisce sui suoi nuclei atomici. E’ questo il momento della rivelazione. Le interazioni con le particelle di materia oscura producono nello xenon liquido due segnali: un lampo di luce primario e un segnale di carica che genera un secondo segnale di luce ritardato. I segnali luminosi sono catturati da 248 fotomoltiplicatori, sofisticati occhi capaci di rivelare ogni singolo fotone. Dall’analisi dei segnali i fisici che lavorano a XENON1T possono poi misurare l’energia e la posizione dell’interazione, e la natura della particella.

Riuscire a catturare una di queste rare interazioni non è semplice. Lo spiega bene Gabriella Sartorelli, la coordinatrice del gruppo dei ricercatori italiani, il quale è costituito dai Laboratori del Gran Sasso, dall’Infn e dalle Università di Bologna e Torino. “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 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”. Strumenti grandi e sensibili come quelli impiegati da XENON1T.

L’inizio della raccolta dati è previsto per la fine del 2015 e proseguirà per i prossimi due anni. Non solo. XENON1T, seppure appena nato, è già pronto a crescere. Il peso di Xenon liquido ospitato dall’esperimento può infatti arrivare fino 7,6 tonnellate: questo significa che, un domani, potrà ospitare un rivelatore ancora più grande e ancora più sensibile.

Le news di questa settimana

ADDIO AL SOGNO DI VIAGGIARE INDIETRO NEL TEMPO

Il sogno di viaggiare indietro nel tempo è ormai sfumato.Uno studio, pubblicato sulla rivista Scientific Reports, ha provato sperimentalmente che la freccia del tempo punta solo verso il futuro. La ricerca è stata guidata da Claudio Conti, direttore dell’Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Isc-Cnr), in collaborazione con il Dipartimento di fisica della Sapienza e con l’Università dell’Aquila ed è finanziata dalla John Templeton Fundation. Le fondamenta teoriche su cui è basata la ricerca sono state introdotte nel 1986 dal premio Nobel per la fisica, Roy Glauber. Il modello matematico prevede che i decadimenti degli ‘oscillatori inversi quantistici’ avvengano solo a determinate velocità. Allo stesso tempo, affinché la teoria sia verificata, occorre che questo tipo di trasformazioni siano irreversibili, il che significa che la particella, una volta decaduta, non si possa più riformare. Da qui l’assunto che non si può tornare indietro nel tempo. “Nessuno prima d’ora aveva mai testato empiricamente questa teoria. Avendo ottenuto questa prova sperimentale, possiamo affermare che la teoria è verificata, anche per quanto riguarda la freccia del tempo”, ha spiegato il direttore dell’Isc-Cnr Claudio Conti.

DA TORINO ALLA NASA IL MODULO DI ORION

E’ stato consegnato al Centro Prove della Nasa di Plum Brook, in Ohio, il primo modello di prova del modulo di servizio europeo per la capsula spaziale Orion. A progettarlo e realizzarlo la Thales Alenia Space. Il modulo sarà ora sottoposto a una serie di scrupolosi test. L’idea è quella di utilizzare la capsula Orion per missioni umane oltre l’orbita bassa terrestre verso molteplici destinazioni: per esempio la Luna, ma anche gli asteroidi e lo Spazio profondo. La prima missione di Orion, “Exploration Mission 1”, nella quale l’Europa sarà impegnata, è programmata per il 2018 e consisterà nella circumnavigazione della Luna e nel ritorno sulla Terra. Scopo di questa prima missione senza equipaggio sarà testare le prestazioni della navicella spaziale prima del suo utilizzo con esseri umani a bordo e di qualificare il nuovo sistema di lancio della NASA. La missione successiva di Orion, “Exploration Mission 2”, con astronauti a bordo, è prevista intorno al 2021.

CASSIS, PRIMA TAPPA VERSO MARTE

CaSSIS (acronimo di Colour and Stereo Surface Imaging System) è una camera ad alta risoluzione ideata per lo studio della superficie del pianeta Marte. Ha appena completato la sua prima tappa, arrivando a Cannes per essere integrato a bordo dell’ExoMars Trace Gas orbiter (TGO) nella sede di Thales-Alenia Space. Lo strumento è stato progettato e realizzato sotto la direzione dell’Università di Berna (Svizzera), per iniziativa di Italia e Polonia. CaSSIS è stata progettata in maniera da essere complementare ad altre camere su satelliti ancora in orbita attorno a Marte e fornirà coppie stereo ad alta risoluzione e a colori di regioni accuratamente selezionate. Inoltre, supporterà gli altri strumenti a bordo di TGO nella ricerca di gas come il metano, che possono essere importanti da un punto di vista biologico.

I MILLE (E PIU’) LAMPI DI SWIFT

Una carriera lunga e costellata di successi quella di Swift, l’osservatorio targato NASA, e realizzato con un importante contributo italiano, incaricato di studiare e mappare gli eventi più energetici dell’Universo. Nella notte del 27 ottobre scorso il satellite ha catturato la millesima emissione di gamma ray burst: un ‘lampo’ della durata di 50 secondi avvenuto a circa 12 miliardi di anni luce da noi quando l’Universo aveva appena un miliardo e mezzo di anni. L’ultimo lampo avvistato, datato 31 ottobre, ha portato il numero complessivo delle rilevazioni a quota 1002. “Il millesimo GRB visto da Swift – ha commentato Paolo Giommi, responsabile dell’ASI Science Data Center – è un traguardo bellissimo e inizialmente insperato, dato che il satellite doveva operare solo per due anni ed osservare non più di 200 GRB. “A oltre dieci anni dal lancio e dopo numerosissime scoperte – aggiunge Giommi – Swift è riconosciuto come una delle missioni spaziali più importanti, diventando uno strumento indispensabile per l’astrofisica moderna”.

di Antonella SaliniGiornalista professionista

13 Novembre 2015
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