Xenon

Introduzione

Tra le varie strategie sperimentali utilizzate per l’osservazione diretta di particelle di materia oscura, i rivelatori che utilizzano xenon liquido (LXe), come XENON100 e LUX, hanno raggiunto le sensibilità migliori. Il rivelatore XENON100 ha ottenuto i migliori limiti, tra il 2010 e l’autunno del 2013, per quanto riguarda la sensibilità ad interazioni elastiche, indipendenti dallo spin, di particelle di materia oscura (WIMPs) con masse maggiori di 8 GeV/c², con un minimo della sensibilità pari a 2 x 10^-45 cm² per una WIMP si massa di 55 GeV/c² (90% CL) raggiunto nel 2012. In parallelo, a partire dal 2010, il progetto del rivelatore XENON1T è cominciato. Sarà il più grande rivelatore basato sull’utilizzo di Xe in doppia fase e, dopo la sua approvazione da tutte le agenzie di fondi nel 2011, è cominciata la sua costruzione ed installazione nella Hall B dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS).

L'esperimento XENON1T

L’esperimento XENON1T è attualmente in costruzione nella Hall B presso i LNGS. La prima presa dati è prevista per la fine del 2015. L’obiettivo dell’esperimento è di abbassare le sensibilità attualmente raggiunte, per interazioni WIMP-nucleoni, di circa due ordini di grandezza. Il rivelatore utilizzerà circa 3 tonnellate di LXe contenuto in un doppio criostato realizzato con acciaio inox (SS) a bassa radioattività. Le dimensioni del criostato interno sono tali da ospitare la TPC di XENON1T mentre il criostato esterno è in grado di ospitare anche il futuro upgrade di XENON1T: XENONnT. XENON1T è dotato di una serie di sistemi ausiliari in grado di:

1. fornire la necessaria potenza al sistema criogenico;
2. garantire sicurezza in fase di funzionamento del rivelatore grazie all’utilizzo di un sistema di stoccaggio di emergenza dello xenon in grado di ospitarne fino a 7 tonnellate;
3. garantire il funzionamento del sistema di ricircolo per la purificazione del LXe.

Per ridurre invece la concentrazione di kripton a meno di 1 atomo in 15 millilitri di xenon, verrà utilizzata una apposita colonna di distillazione. In XENON1T, la massa bersaglio per le interazioni di materia oscura, è costituita da 2 tonnellate di LXe racchiuse in una TPC con diametro ed altezza pari ad 1 metro, costituita da 24 pannelli interconnessi di polytetrafluoroethylene (PTFE). I segnali di scintillazione sono rivelati da due piani di PMT, uno in cima alla TPC contenente 127 fotomoltiplicatori ed un sul fondo della TPC che ne contiene 121. Per creare il campo elettrico uniforme necessario per la deriva degli elettroni verso l’interfaccia liquido-gas, sono utilizzati 74 anelli di rame. Al di sopra della TPC è installato un volume cilindrico in SS che isola il GXe dal volume esterno. Tale cilindro è chiamato “diving bell”. L’utilizzo della bell permette di tenere sotto controllo il livello del liquido all’interno della TPC ed inoltre permette di avere uno strato di LXe al di sopra del GXe, cosa che fornisce una totale schermatura della regione attiva di LXe. Il livello di fondo di XENON1T è stato ridotto a circa 2 eventi per tonnellata-anno. Le principali sorgenti di background sono rinculi elettromagnetici (ER) dovuti alla presenza di radionuclidi nei materiali del rivelatore ed a sorgenti intrinseche, e rinculi nucleari (NR) da neutroni radiogenici e cosmogenici. Da simulazioni MC il fondo ER più NR radiogenici è stimato circa in 1 evento in 2 tonnellate-anno. Per ridurre il fondo dovuto a NR cosmogenici, XENON1T verrà posto all’interno di un veto attivo in grado di riconoscere i muoni cosmici, e le cascate da essi generate, che sono la sorgente di tali NR. Tale “Veto di Muoni”, costituito da una grande tanica di SS riempita con acqua ultra pura, utilizza l’emissione Cherenkov per rivelare particelle che la attraversano. La luce verrà rivelata tramite 84 PMTs (con un diametro del fotocatodo di 8’’). Il contributo al fondo da neutroni indotti da muoni è così abbattuto a livelli al di sotto di 0.01 ev/y in una tonnellata, per cui risulta trascurabile. Con un livello così basso di fondo, XENON1T sarà in grado di raggiungere sensibilità a sezioni d’urto elastiche, indipendenti dallo spin, di interazioni WIMP-nucleone dell’ordine di 1.2 x 10^-47 cm² riuscendo così ad esplorare una nuova regione dello spazio dei parametri per la ricerca della materia oscura. Nella figura seguente è mostrato un confronto tra i limiti sperimentalmente ottenuti e ciò che ci si aspetta da XENON1T.

Le figure di seguito mostrano lo stato dei lavori di costruzione di XENON1T risalenti a marzo 2015. Altre foto sono disponibili nel sito ufficiale della collaborazione XENON.

L'esperimento XENON100

Il rivelatore XENON100 usa gli stessi principi operazionali ed altre soluzioni progettuali che furono testate con successo col prototipo XENON10. Il volume sensibile è costituito da 62 kg di LXe racchiusi in un cilindro di PTFE di raggio ed altezza pari a 15 cm. Il cilindro di PTFE riflette la luce di scintillazione con elevata efficienza ed inoltre separa otticamente la regione attiva dal volume esterno di LXe, usato come veto attivo, costituito da 99 kg di xenon che comprendono uno strato di LXe sopra e sotto i due piani di fotomoltiplicatori. Nel 2012, l’esperimento XENON100 ha pubblicato risultati ottenuti dall’analisi di un’acquisizione di 224.6 giorni utilizzando un volume fiduciale pari a 34 kg ed un livello di fondo molto basso. Alla fine dell’analisi furono osservati due eventi risultanti compatibili però col fondo atteso: 1.0 +- 0.2 eventi. Utilizzando il metodo della Profile Likelihood, da tali dati sono stati fissati limiti superiori sulla sezione d’urto per urti elastici WIM-nucleoni, per interazioni indipendenti dallo spin, che raggiungono un minimo a 2 x 10^-45 cm²per una WIMP di massa 55 GeV/c²con un livello di confidenza del 90% (E. Aprile et al.Phys. Rev. Lett. 109, 181301 (2012)).

Collaborazione

Physics Department, Columbia University, New York, NY, USA

Department of Physics and Astronomy, University of Bologna and INFN-Bologna, Bologna

INFN-Laboratori Nazionali del Gran Sasso

Gran Sasso Science Institute, L’Aquila

INFN-Torino and Osservatorio Astrofisico di Torino, Torino, Italy

Institut für Physik & Exzellenzcluster PRISMA, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Mainz, Germany

Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg, Germany

Nikhef and the University of Amsterdam, Science Park, Amsterdam, Netherlands

Department of Physics and Astronomy, Purdue University, West Lafayette, IN, USA

Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, USA

Department of Physics and Astronomy, Rice University, Houston, TX, USA

SUBATECH, Ecole des Mines de Nantes, CNRS/In2p3, Université de Nantes, Nantes, France

Albert Einstein Center for Fundamental Physics, University of Bern, Bern, Switzerland

Physics & Astronomy Department, University of California, Los Angeles, CA, USA

Department of Physics, University of Coimbra, Coimbra, Portugal

Institut für Kernphysik, Wilhelms-Universität Münster, Münster, Germany

Physik-Institut, University of Zurich, Zurich, Switzerland

Department of Particle Physics and Astrophysics, Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel

NYU Abu Dhabi, United Arab Emirates

Stockholm University, Sweden