L’esperimento Xenon100 per la ricerca della materia oscura

L’esperimento XENON100, in funzione ai Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) conferma con i suoi nuovi risultati di essere l’apparato più sensibile al mondo nella ricerca delle cosiddette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) le particelle principali candidate a costituire la misteriosa “materia oscura”.

I nuovi dati, relativi a cento giorni di osservazione, sono stati recentemente illustrati ai Laboratori del Gran Sasso da Elena Aprile della Columbia University, fondatrice e leader della collaborazione internazionale che ha dato vita all’esperimento.

‘’In quei cento giorni – spiega Elena Aprile – ci aspettavamo di osservare circa due eventi provenienti dalla radiazione di fondo. Ne abbiamo visti tre, quindi non c’è ancora nessuna evidenza, ma la ricerca continua, e gli ulteriori dati che stiamo già prendendo ci porteranno più vicini a un’eventuale scoperta. Ma già adesso – continua Elena Aprile – i risultati ottenuti pongono i vincoli più stringenti al mondo, sulle interazioni di tipo “elastico” delle WIMP con la materia ordinaria. E questo grazie alle prestazioni straordinarie del nostro rivelatore, nel quale siamo riusciti a ridurre il fondo radioattivo a livelli senza precedenti’’.

Come noto da anni, osservazioni di carattere cosmologico provenienti da varie fonti, indicano che la materia ordinaria costituisce solamente il 17% della massa dell’Universo. L’83% di tutta la materia presente nel Cosmo sarebbe invece composto da una forma nuova e ancora non osservata di materia, la cosiddetta materia oscura. Una possibile spiegazione, favorita anche da plausibili estensioni dell’attuale ‘modello standard’ delle particelle elementari, è che la $materia oscura$ sia costituita da particelle, le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, in italiano “particelle massive debolmente interagenti”), distribuite in un enorme alone che avvolge la nostra galassia. L’informazione mancante per confermare l’attuale immagine del Cosmo è attesa proprio dalla rivelazione diretta di queste particelle. Il vento di particelle WIMP dovuto al movimento della Terra nell’alone galattico di $materia oscura$, può occasionalmente colpire i nuclei di Xenon del rivelatore, depositando così una piccola quantità di energia che può essere rivelata con i dispositivi ultrasensibili di cui l’esperimento è dotato.

Xenon 100, fasi di assemblaggio

XENON100 è in funzione dall’ottobre 2009; l’esperimento utilizza circa 160 chilogrammi di gas Xenon liquido, alla temperatura di 90 gradi sotto lo zero. Rivelatori di luce sensibilissimi (chiamati fotomoltiplicatori), immersi nel gas liquefatto, sono in grado di rivelare anche i minimi segnali di luce derivanti dai deboli urti delle particelle di $materia oscura$ con i nuclei di Xenon. Con una tecnica particolare è possibile distinguere questi segnali da altri causati dalla radioattività ambientale. Proprio per ridurre al minimo questa fonte di “rumore”, XENON100 si trova nei laboratori INFN, al di sotto dei 1400 metri di roccia di Monte Aquila, nel Parco Nazionale del Gran Sasso. Questo strato di roccia consente di ridurre, assorbendolo, il flusso della radiazione cosmica di un milione di volte. Tuttavia, ciò non è ancora sufficiente per raggiungere la sensibilità richiesta da un esperimento di questo tipo. XENON100 è pertanto ulteriormente schermato da strati di piombo, polietilene e rame, e tutti i materiali scelti per la sua costruzione sono stati accuratamente selezionati per minimizzarne la radioattività.

Schema del progetto

La collaborazione XENON si compone di 60 scienziati di 14 istituzioni scientifiche statunitensi, cinesi, francesi, tedesche, israeliane, olandesi, portoghesi e svizzere. Anche ricercatori italiani, dei Laboratori del Gran Sasso, di Bologna e Torino, partecipano all’esperimento.

“In questi giorni gli occhi del mondo scientifico internazionale sono di nuovo puntati sui Laboratori del Gran Sasso dell’INFN – ha commentato Lucia Votano, direttore dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso – grazie ai nuovi dati dell’esperimento XENON100. I risultati illustrati durante la riunione del Comitato Scientifico internazionale del Laboratorio non mostrano ancora segnali di evidenza di $materia oscura$, ma grazie alla straordinaria sensibilità dell’esperimento restringono moltissimo la ‘’zona di caccia’’ delle cosiddette WIMP, le particelle più accreditate a costituire la $materia oscura$. La ricerca proseguirà e la Collaborazione XENON ha già presentato al Gran Sasso la proposta di un apparato molto più sensibile. Il Laboratorio del Gran Sasso, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare costituisce la struttura più importante al mondo per condurre esperimenti di fisica delle particelle in ambiente sotterraneo. In particolare, ospita 4 tra i più importanti rivelatori dedicati alla ricerca della $materia oscura$. Oltre a XENON, sono presenti gli esperimenti CRESST, DAMA e WARP.

LINK all’esperimento
http://xenon.astro.columbia.edu/XENON100_Experiment/
http://www.lngs.infn.it/lngs_infn/contents/lngs_en/research/experiments_scientific_info/experiments/current/xenon/index.htm

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11 Commenti

  1. Più passa il tempo, meno credo all’esistenza della materia oscura…..
    La cosa che mi quadra meno è che la materia oscura interagirebbe solo tramite la gravità con la materia ordinaria, ma nel contempo è disposta ad alone attorno ad essa.
    Se interagisce con la gravità, non dovrebbe essere confinata in gran parte nelle strutture più massive, cioè all’interno delle stelle e dei buchi neri?……
    Le masse delle stelle sono legate al loro interno principalmente dalla gravità? O sono le altre forze a predominare e a tenere insieme la materia ordinaria?

  2. Caro Red, mettiamola così: se le particelle sono WIMP interagiscono debolmente con la materia ordinaria e quindi non collidendo con questa, non perdono energia per cui riescono meglio della materia ordinaria a sfuggire all’attrazione gravitazionale delle sorgenti massicce.

    Detto questo, non sei il solo ad essere perplesso… 😕

  3. Condivido i dubbi di Red e quelle stesse domande più o meno me le sono poste anch’io. Non dico di “non credere” alla materia oscura, anzi spero che al più presto, da una parte o dall’altra, vi si faccia luce. Nel frattempo mi associo alla domande poste da Red, in attesa di qualche chiarimento dagli esperti di astronomia.com…

  4. Buon giorno a tutti,scusate ma una domanda ignorante la devo pur fare:
    I neutrini rientrano dunque tra le WIMP?
    Se ciò non fosse mi scuso e cercherò di rileggere in maniera da chiarirmi questo dubbio.
    Grazie mille!

  5. @gimbo: Per quel che ne so io le WIMP non sono identificabili con i neutrini, perché i neutrini hanno una massa (a quanto pare ce l’hanno) piccolissima, mentre le WIMP sono particelle con una massa considerevole.

  6. @Alberto: Caro Alberto, anche se la materia oscura fosse costituita da WIMP, e quindi si comportano come tu dici, continuo a condividere con te delle grosse perplessità.
    In un articolo riportato da Enzo, alcuni ricercatori sostenevano che non c’era traccia di materia oscura nei dintorni del sistema solare. E, se non c’è in questa porzione di galassia, non vedo perché ce ne dev’essere altrove.
    E’ una discrepanza che non collima con il fatto che la materia oscura dovrebbe essere presente in un alone uniforme attorno alla galassia…..
    @gimbo: La descrizione di Alberto è corretta. I neutrini non sono WIMP, perché queste ultime hanno una massa piuttosto consistente. Vedi QUI, QUI e QUI.
    Tra l’altro, in inglese wimp vuol dire “imbranato, buono a nulla”. Non credo sia un caso… :mrgreen:

  7. @Red: il grosso problema della materia oscura, a mio parere è che, come dicono nel “Così fan tutte” di Mozart e da Ponte, “che vi sia ciascun lo dica, dove sia nessun lo sa” 🙂 E, aggiungerei, “cosa sia nessun lo sa”, per cui quando i ricercatori sostenevano che non c’era materia oscura nei dintorni del sistema solare bisognerebbe capire a che tipo di materia oscura facevano riferimento.
    Se poi le evidenze sperimentali mostrassero che la materia oscura è rilevabile solo ed esclusivamente attraverso l’interazione gravitazionale, questo mi ricorderebbe una scena già vista con l’etere luminifero dell’esperimento di Michelson e Morley… la materia che vediamo non si comporta come ci aspetteremmo rispetto alle leggi della gravità note perché c’è altra materia che non vediamo o perché le leggi della gravità note devono essere cambiate?
    Al momento la questione ancora aperta e le evidenze sperimentali non ci permettono di scartare nessuna delle due ipotesi.

  8. @Alberto: Effettivamente, la materia oscura è proprio come l’araba fenice, con l’aggravante che tu citi.
    La ricerca a cui facevo riferimento comparava l’effetto gravitazionale della materia “ordinaria”, “visibile”, con gli effetti rilevati sulla massa stessa.
    In buona sostanza, hanno “pesato” la materia ordinaria e hanno cercato eventuali differenze tra gli effetti della materia visibile e quelli rilevati.
    Si aspettavano il solito rapporto di 1 a 5, ma gli effetti riscontrati sono esattamente quelli attesi dalla materia visibile, con uno scarto minimo.
    Ergo, “qui attorno” di materia oscura non v’è traccia, di qualunque natura essa possa essere.
    E anche a me ricorda molto l'”etere”…….

  9. Da ignorante penso o che la legge di gravitazione sia errata\non applicabile ai supersistemi (difficile l’errore, ma non proprio impossibile il discorso della diversa applicazione alle galassie) oppure vi è un errore strumentale nel valutare il peso complessivo della normale materia.
    Ricordo che di tanto in tanto si rifanno i calcoli e scende la quota della materia oscura… 😈

  10. @gabriella: L’energia oscura…. Anche questo è un bel dilemma….
    A me hanno insegnato da sempre che l’universo è un sistema chiuso: “Nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma”.
    L’energia oscura è concepita come a densità costante nell’universo: visto che l’universo si espande (addirittura in maniera accelerata), ciò significa che questa energia è in aumento esponenziale e compie un lavoro.
    Non sembra, però, che sia l’effetto di una trasformazione di un’altro tipo di energia (x es. la potenziale si trasforma volentieri in cinetica e viceversa).
    Questo implica che l’energia oscura si crea di continuo.

    E allora, da dove viene l’energia oscura? L’universo è un sistema chiuso o no?
    Non mi sembrano domande di poco conto…… E ce ne sarebbero anche altre, a cui rispondere…..