Introduzione
ll progetto DAMA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN è un osservatorio per lo studio di processi rari grazie allo sviluppo e all'uso di rivelatori a scintillazione di elevata radiopurezza e grande massa. Questo esperimento è dedicato principalmente all'investigazione di particelle di Materia Oscura nell'alone galattico e alla ricerca di vari altri processi rari (modi di decadimento doppio-beta in molti isotopi, possibili processi di non conservazione della carica, possibili processi che violino il principio di esclusione di Pauli, stabilità dei nucleoni, ricerca di assioni solari e particelle esotiche, ecc.).
Rivelatori
I principali apparati sperimentali del progetto DAMA installati ai LNGS sono:
- l'apparato DAMA/NaI (~100 kg di NaI(Tl) di elevata radiopurezza), che ha completato la presa dati nel Luglio 2002. Lo scopo principale di questo apparato è stata l'investigazione della presenza di particelle di Materia Oscura nell'alone galattico utilizzando la marcatura indipendente da modelli detta della modulazione annuale del tasso di conteggio. Con una esposizione complessiva di 0.29 tonnellate x anno ha evidenziato la presenza di un segnale di materia oscura a 6.3 C.L [1], [2]. Alcune delle molte possibili analisi corollarie sulla natura della particella candidata e su aspetti correlati di astrofisica, fisica nucleare e particellare sono state anche eseguite [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8]. Lo stesso apparato sperimentale ha inoltre permesso di ottenere risultati utilizzando altri approcci e investigando altri processi rari (ad esempio: assioni solari, processi con possibile violazione del principio di esclusione di Pauli, decadimento in "cluster", possibili transizioni spontanee di nuclei verso stati superdensi, ricerca di Q-balls, possibili processi di non conservazione della carica, SIMP e nuclearità, stabilità dell'elettrone, etc.);
- l'apparato DAMA/LXe (~6.5 kg di Xenon liquido), che può raccogliere dati riempito con Xenon libero da kripton e arricchito o nell'isotopo 129Xe o nell'isotopo 136Xe. Esso ha investigato vari processi rari in diverse configurazioni ed è attualmente in funzione. I principali risultati sperimentali sono stati ottenuti studiando, ad esempio: la materia oscura con vari approcci, il doppio decadimento beta nel 134Xe e nel 136Xe, possibili processi di non conservazione della carica, stabilità dell'elettrone e del nucleone, etc.;
- l'apparato DAMA/R&D, dove vengono effettuate misure per la caratterizzazione di prototipi di PMT e dei rivelatori e dove vengono realizzati esperimenti di piccola scala, è principalmente dedicato alla ricerca del decadimento doppio-beta in vari isotopi (e.g. 40Ca, 46Ca, 48Ca, 64Zn, 70Zn, 180W, 186W, 106Cd, 108Cd, 114Cd, 136Ce, 138Ce, 142Ce, 130Ba); sono stati studiati anche altri processi rari, ricordiamo e.g.: materia oscura con cristalli scintillatori di CaF2, decadimento alfa raro nel 151Eu, decadimento beta raro del 113Cd. Molte altre misure sono in corso e in preparazione;
- l'esperimento di seconda generazione DAMA/LIBRA (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes; ~250 kg di NaI(Tl) di elevata radiopurezza) continua l'investigazione di DAMA/NaI con più grande massa e più elevata sensibilità. In particolare, i dati della prima fase di misura, DAMA/LIBRA-phase1, confermano l'evidenza indipendente da modelli sulla presenza di particelle di Materia Oscura nell'alone galattico. L'esposizione cumulativa raccolta, considerando i 7 cicli annuali di DAMA/NaI e i 7 cicli annuali di DAMA/LIBRA, è 1.33 tonnellate x anno. L'evidenza indipendente da modelli è stata cosi' osservata con un livello di confidenza di 9.3σ. Alla fine del 2010 è stato fatto un upgrade dell’esperimento e nel Gennaio 2011 sono iniziate nuove misure, DAMA/LIBRA-phase2. Sono stati sostituiti tutti i fotomoltiplicatori con i nuovi Hamamatsu R6233MOD, che hanno una più alta efficienza quantica (Q.E.) e più basso fondo radioattivo rispetto a quelli usati nella fase1; i nuovi PMT sono il risultato di un R&D dedicato, test e selezioni portati avanti con la ditta. La messa a punto dell’esperimento è stata condotta con successo nel 2011; è stato possibile raggiungere una soglia energetica software di 1 keV e di migliorare alcune caratteristiche dei rivelatori quali la risoluzione energetica e l’efficienza di accettanza vicino la soglia energetica software. Il primo risultato di DAMA/LIBRA-phase2 è stato rilasciato nel 2018 considerando i dati raccolti in 6 cicli annuali e 2 ulteriori cicli sono stati rilasciati nel 2021 (esposizione totale 1.53 ton x anno). DAMA/LIBRA-phase2 ha confermato la presenza di un segnale che soddisfa tutti i requisiti della marcatura per la Materia Oscura indipendente dai modelli della modulazione annuale. Nell’intervallo energetico 2-6 keV, dove sono disponibili anche i dati di DAMA/NaI e DAMA/LIBRA-phase1, il C.L. ottenuto con l’esposizione complessiva (2.86 ton x anno) è di 13.7σ. Questo risultato indipendente da modello è compatibile con varie particelle candidate come Materia Oscura, vari tipi di interazione e scenari. Nessun esperimento nel campo è disponibile i cui risultati possano essere confrontati direttamente in modo indipendente da modelli con questi;
- l’apparato DAMA/Ge costituito da un Germanio di basso fondo che consente di eseguire misure su campioni e selezione dei materiali e anche esperimenti di piccola scala che studiano principalmente modi di decadimento doppio beta in vari isotopi con la tecnica passiva e assioni solari. Molte misure sono in preparazione;
- l’apparato DAMA/CRYS, un nuova struttura di dimensioni compatte dedicata principalmente alla caratterizzazione di nuovi rivelatori prototipo;
- è anche in corso un R&D verso un possibile apparato con una tonnellata di massa sensibile, proposto da DAMA già nel 1996.
Investigazioni della materia oscura
Alcune pubblicazioni recenti (la lista completa è disponibile qui)
R. Bernabei, P. Belli, A. Bussolotti, V. Caracciolo, R. Cerulli, A. Leoncini, V. Merlo, F. Montecchia, F. Cappella, A. d’Angelo, A. Incicchitti, A. Mattei, C.J. Dai,X.H.Ma,X.D.Sheng,Z.P.Ye, Status of the DAMA project, BLED WORKSHOPS IN PHYSICS VOL. 24, NO. 1 (2023) 15-25
V. Ya Degoda, L.A. Afanasieva, P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, F.A. Danevich, A. Incicchitti, A. Leoncini, D.V. Kasperovych, YaP. Kogut, G.P. Podust, J. of Luminescence 249 (2022) 119028 [https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2022.119028].
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V. R. Klavdiienko, P. Belli, R. Bernabei, V. Caracciolo, R. Cerulli and V. Merlo, V. B. Brudanin, F. Cappella and A. Incicchitti, F. A. Danevich, D. V. Kasperovych, V. V. Kobychev, O. G. Polischuk, V. I. Tretyak and M. M. Zarytskyy, Search for double-beta decay of 106Cd, Int. J. of Mod. Phys. E, Vol. 30, No. 11 (2021) 2141003 [https://doi.org/10.1142/S0218301321410032].
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A.S. Barabash, P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, D.M. Chernyak, F.A. Danevich, S. d'Angelo, A. Incicchitti, D.V. Kasperovych, V.V. Kobychev, S.I. Konovalov, M. Laubenstein, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.N. Shlegel, V.I. Tretyak, V.I. Umatov, Ya.V. Vasiliev,Final results of the Aurora experiment to study 2beta decay of 116Cd with enriched 116CdWO4crystal scintillators, Phys. Rev. D 98 (2018) 092007.
R.Bernabei, P.Belli, A.Bussolotti, F.Cappella, V.Caracciolo, R.Cerulli, C.J.Dai, A. d'Angelo, A. Di Marco, H.L.He, A. Incicchitti, X.H.Ma, A.Mattei, V.Merlo, F.Montecchia, X.D. Sheng, Z.P.Ye, First model independent results from DAMA/LIBRA-phase2, Universe 4 (2018) 116 (doi:10.3390/universe4110116), and arXiv:1805.10486.
R. Cerulli, P. Villar, F. Cappella, R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, A. Addazi, Z. Berezhiani, DAMA annual modulation and mirror Dark Matter, Eur. Phys. J. C 77 (2017) 83, [arXiv:1701.08590]
R. Bernabei, P. Belli, A. d'Angelo, S. d'Angelo, A. Di Marco, F. Montecchia, A. Incicchitti, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, C.J. Dai, H.L. He, H.H. Kuang, X.H. Ma, X.D. Sheng, R.G. Wang and Z.P. Ye, Highlights of DAMA/LIBRA,EPJ Web of Conferences 126 (2016) 02014
Int. J. of Mod. Phys. A invited issue dedicated to DAMA:
- R. Bernabei, "The DAMA project", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642001 (7 pag.)
- R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, A. Mattei, F. Cappella, R. Cerulli, C.J. Dai, X.H. Ma, Z. P. Ye, "The highly radiopure NaI(Tl) DAMA/LIBRA setup", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642002 (20 pag.)
- R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, C.J. Dai, "Adopted low background techniques and analysis of radioactive trace impurities", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642003 (14 pag.)
- F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, A. Bussolotti, A. Mattei, "The calibration and the monitoring/alarm system", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642004 (18 pag.)
- P. Belli, A. Bussolotti, V. Caracciolo, R. Cerulli, C. J. Dai, X. H. Ma, "The electronics and DAQ system in DAMA/LIBRA", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642005 (14 pag.)
- R. Bernabei, P. Belli, S. d'Angelo, A. Di Marco, F. Montecchia, A. d'Angelo, A. Incicchitti, D. Prosperi, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, C.J. Dai, H.L. He, H.H. Kuang, X.H. Ma, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, "DAMA/LIBRA phase1 model independent results", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642006 (22 pag.)
- A. Di Marco, F. Cappella, R. Cerulli, "Other rare processes with DAMA/LIBRA", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642007 (12 pag.)
- R. Bernabei, P. Belli, A. Di Marco, A. d'Angelo, A. Incicchitti, F. Cappella, R. Cerulli, C.J. Dai, X.H. Ma, Z.P. Ye, "Investigation on possible systematics and side processes", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642008 (38 pag.)
- R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, R. Cerulli, C.J. Dai, X.H. Ma, Z.P. Ye, "On corollary model-dependent analyses and comparisons", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642009 (14 pages) DOI: 10.1142/S0217751X16420094
- R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, F. Cappella, R. Cerulli, C.J. Dai, H.L. He, H.H. Kuang, X.H. Ma, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, R.S. Boiko, F.A. Danevich, V.V. Kobychev, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, "Main results and perspectives on other rare processes with DAMA experiments", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642010 (36 pag.)
- R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, R. Cerulli, C.J. Dai, X.H. Ma, "Towards the next and far future", Int.J. of Mod.Phys. A 31 (2016) 1642011 (2 pag.)
R. Bernabei, Particle dark matter direct detection, Int. J. of Mod. Phys. D 25 (2016) 1630018
P. Belli, R. Bernabei, V.B. Brudanin, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, D.M. Chernyak, F.A. Danevich, S. d'Angelo, A. Di Marco, A. Incicchitti, M. Laubenstein, V.M. Mokina, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, I.A. Tupitsyna, Search for 2β decay of 106Cd with enriched 106CdW4 crystal scintillator in coincidence with four HPGe detectors, Phys. Rev. C 93 (2016) 045502 [arXiv:1603.06363]
P. Belli, R. Bernabei, V.B. Brudanin, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, D.M. Chernyak, F.A. Danevich, S. d'Angelo, A. Di Marco, A. Incicchitti, M. Laubenstein, V.M. Mokina, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, I.A. Tupitsyna, Search for 2β decay of 106Cd with enriched 106CdW4 crystal scintillator in coincidence with four HPGe detectors, arXiv:1603.06363 accettato per la pubblicazione su Phys. Rev. C
R. Bernabei, P. Belli, A. Incicchitti, F. Cappella, R. Cerulli, Liquid noble gases for dark matter searches: an updated survey, Int. J. of Mod. Phys. A 30 (2015) 1530053-1 (76 pages)
A. Addazi, Z. Berezhiani, R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella, R. Cerulli, A. Incicchitti, DAMA annual modulation effect and asymmetric mirror matter, Eur. Phys. J. C 75 (2015) 400 [arXiv:1507.04317]
R. Bernabei, P. Belli, S. d'Angelo, A. Di Marco, F. Montecchia, A. d'Angelo, A. Incicchitti, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, Investigating Earth Shadowing effect with DAMA/LIBRA-phase1, Eur. Phys. J. C 75 (2015) 239 [arXiv:1505.05336]
P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, R. Cerulli, F. Danevich, V. Yu. Denisov, A. d'Angelo, A. Incicchitti, V.V. Kobychev, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, Search for long-lived superheavy eka-tungsten with radiopure ZnWO4 crystal scintillator, Physica Scripta 90 (2015) 085301 [arXiv:1504.07438]
R.Bernabei, P.Belli, F.Cappella, V.Caracciolo, R.Cerulli, C.J. Dai, A. d'Angelo, S. d'Angelo, A. Di Marco, H.L.He, A. Incicchitti, H.H.Kuang, X.H.Ma, F.Montecchia, X.D. Sheng, R.G.Wang and Z.P.Ye, No role for neutrons, muons and solar neutrinos in the DAMA annual modulation results, Eur. Phys. J. C 74 (2014) 3196.
R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, C.J. Dai, A. d'Angelo, S. d'Angelo, A. Di Marco, H.L. He, A. Incicchitti, X.H. Ma, F. Montecchia, D. Prosperi, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, DAMA/LIBRA results and perspectives of phase 2, Nucl. Instr. & Meth. A 742 (2014) 177.
R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella, V. Caracciolo, S. Castellano, R. Cerulli, C.J. Dai, A. d'Angelo, S. d'Angelo, A. Di Marco, H.L. He, A. Incicchitti, H.H. Kuang, X.H. Ma, F. Montecchia, D. Prosperi, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, Model independent result on possible diurnal effect in DAMA/LIBRA-phase1, Eur. Phys. J. C 74 (2014) 2827 [arXiv:1403.4733].
P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, F.A. Danevich, A. Di Marco, A. Incicchitti, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, Investigation of rare nuclear decays with BaF2 crystal scintillator contaminated by radium, Eur. Phys. J. A 50 (2014) 134
P. Belli, R. Bernabei, R.S. Boiko, F. Cappella, R. Cerulli, F.A. Danevich, A. Incicchitti, B.N. Kropivyansky, M. Laubenstein, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, Search for double beta decay of 136Ce and 138Ce with HPGe gamma detector, Nucl. Phys. A 930 (2014) 195.
R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella, V. Caracciolo, S. Castellano, R. Cerulli, C.J. Dai, A. d'Angelo, S. d'Angelo, A. Di Marco, H.L. He, A. Incicchitti, H.H. Kuang, X.H. Ma, F. Montecchia, D. Prosperi, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, Final model independent result of DAMA/LIBRA-phase1, Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2648.
P. Belli, R. Bernabei, S.V. Budakovsky, F. Cappella, R. Cerulli, F.A. Danevich, S. d'Angelo, A. Incicchitti, M. Laubenstein, D.V. Poda, O.G. Polischuk, V.I. Tretyak, Radioactive contamination of 7LiI(Eu) crystal scintillators, Nucl. Instr. & Meth. A 704 (2013), 40.
F. Cappella, R. Bernabei, P. Belli, V. Caracciolo, R. Cerulli, F.A. Danevich, A. d'Angelo, A. Di Marco, A. Incicchitti, D.V. Poda, V.I. Tretyak, On the potentiality of the ZnWO4 anisotropic detectors to measure the directionality of Dark Matter, Eur. Phys. J. C 73 (2013) 2276
R. Bernabei, P. Belli, S. d'Angelo, A. Di Marco, F. Montecchia, F. Cappella, A. d'Angelo, A. Incicchitti, V. Caracciolo, S. Castellano, R. Cerulli, C.J. Dai, H.L. He, X.H. Ma, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, Dark Matter investigation by DAMA at Gran Sasso, Int. J. of Mod. Phys. A 28 (2013) 1330022 (73 pages) [arXiv:1306.1411]
P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, R. Cerulli, F.A. Danevich, S. d'Angelo, A. Di Marco, A. Incicchitti, G.P. Kovtun, N.G. Kovtun, M. Laubenstein, D.V. Poda, O.G. Polischuk, A.P. Shcherban, V.I. Tretyak, First search for double-β decay of 184Os and 192Os, Eur. Phys. J. A 49 (2013) 24
P. Belli, R. Bernabei, F. Cappella, R. Cerulli, F.A. Danevich, S. d'Angelo, A. Incicchitti, G.P. Kovtun, N.G. Kovtun, M. Laubenstein, D.V. Poda, O.G. Polischuk, A.P. Shcherban, D.A. Solopikhn, J. Suhonen, V.I. Tretyak, Search for 2β decays of 96Ru and 104Ru by ultra-low background HPGe spectrometry at LNGS: final results, Phys. Rev. C 87 (2013) 034607.
R. Bernabei, P. Belli, F. Cappella, V. Caracciolo, S. Castellano, R. Cerulli, C.J. Dai, A. d'Angelo, A. Di Marco, H.L. He, A. Incicchitti, M. Laubenstein, X.H. Ma, F. Montecchia, X.D. Sheng, V.I. Tretyak, R.G. Wang, Z.P. Ye, New search for correlated e+e- pairs in the α decay of 241Am, Eur. Phys. J. A 49 (2013) 64
R. Bernabei, P. Belli, A. Bussolotti, F. Cappella, V. Caracciolo, M. Casalboni, R. Cerulli, C.J. Dai, A. d'Angelo, A. Di Marco, H.L. He, A. Incicchitti, H.H. Kuang, M. Laubenstein, X.H. Ma, A. Mattei, F. Montecchia, C. Palazzesi, P. Prosposito, X.D. Sheng, R.G. Wang, Z.P. Ye, Performances of the new high quantum efficiency PMTs in DAMA/LIBRA, Journal of Instrumentation 7 (2012) P03009.
P. Belli, R. Bernabei, R.S. Boiko, V.B. Brudanin, F. Cappella, V. Caracciolo, R. Cerulli, D.M. Chernyak, F.A. Danevich, S. d'Angelo, E.N. Galashov, A. Incicchitti, V.V. Kobychev, M. Laubenstein, V.M. Mokina, D.V. Poda, R.B. Podviyanuk, O.G. Polischuk, V.N. Shlegel, Yu.G. Stenin, J. Suhonen, V.I. Tretyak, Ya.V. Vasiliev, Search for double beta decay processes in 106Cd with the help of 106CdWO4 crystal scintillator, Phys. Rev. C 85 (2012) 044610.
in seguito ad un upgrade del server WEB dell'INFN-Roma2, è https://dama.web.roma2.infn.it/"