Introduzione
La collaborazione DarkSide ha impiegato tra 2013 e il 2020 il rivelatore DarkSide-50, una camera a proiezione temporale (TPC) ad argon a doppia fase, per la ricerca diretta di interazioni della materia oscura. L'esperimento è stato ospitato nella Hall-C dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, sotto il Parco Nazionale del Gran Sasso e Monti della Laga, e ha pubblicato i più stringenti vincoli esistenti sulle sezioni d'urto della materia oscura sia su nucleone che su elettrone.
La Global Argon Dark Matter Collaboration (GADMC) è stata costituita per unire la comunità globale interessata alle ricerche sulla materia oscura che utilizzino come target argon liquido (LAr). La GADMC sta attualmente costruendo all'interno della Hall-C di LNGS DarkSide-20k, una TPC in LAr a doppia fase con un volume attivo di 50 tonnellate, 1000 volte di più del precedente DarkSide-50. L'esperimento dovrebbe entrare in funzione nel 2026 ed è progettato per raggiungere la sensibilità di esclusione al 90% di livello di confidenza della sezione d'urto WIMP-nucleone pari a 6,3x10-48 cm2 per una massa della particella di materia oscura di 1 TeV/c2.
L’esperimento DarkSide-50 e la tecnica della TPC in doppia fase
Le camere a proiezione temporale in doppia fase che utilizzano liquidi nobili sono rivelatori in grado di misurare sia la luce di scintillazione indotta in tempi rapidissimi da particelle che interagiscono nel bersaglio liquido nobile attivo sia le cariche di ionizzazione prodotte nell'evento. Il rivelatore è dotato di rivelatori di luce in grado di rilevare la luce di scintillazione. Gli elettroni di ionizzazione, guidati da un campo elettrico, si muovono (derivano) verso la superficie del liquido dove è presente un sottile strato di gas. Sulla superficie del liquido viene creato un campo elettrico più forte, che consente l'estrazione e la successiva accelerazione di questi elettroni di ionizzazione nel gas dove, a loro volta, generano un segnale luminoso ritardato che è utilizzato per ricostruire la posizione tridimensionale dell'evento.
DarkSide-50 è una TPC ad argon in doppia fase. Trentotto fotomoltiplicatori Hamamatsu R11065 da 3 pollici e a bassa radioattività, 19 sulla sommità e 19 sul fondo della TPC, vedono la regione di volume attivo attraverso finestre di silice fusa. Le finestre sono rivestite da entrambi i lati da ossido di indio (ITO) e stagno, un conduttore trasparente. Questo fa sì che la superficie interna della finestra funzioni da anodo a terra (parte superiore) e da catodo da -60kV (parte inferiore) per la TPC mantenendo la parte esterna vicino al potenziale di -1.5kV del fotocatodo dei PMT.
Uno strato di gas per la produzione di un segnale di elettroluminescenza è garantito da una montatura cilindrica sulla finestra di silice fusa, che si estende verso il basso per formare una “campana subacquea” contenente vapore di Argon di altezza pari a 2 cm (“gas pocket”) al di sopra del volume di deriva della TPC. Il recipiente cilindrico contenente il volume attivo di Argon è fatto di PTFE, trattato in maniera tale da essere altamente riflettente per lunghezze d’onda nel visibile. L’intera superficie interna del volume attivo è rivestita con lo shifter di lunghezza d'onda TetraPhenylButadiene (TPB) per convertire la luce di scintillazione dell’Argon a 128 nm in luce con lunghezza d’onda rilevabile dai PMTs. Il campo di drift è prodotto da un sistema formato dai piani del catodo di ITO e dell’anodo e una griglia che separa la regione di deriva degli elettroni da quella di estrazione.
La TPC di DarkSide-50 era inserita all’interno di un veto per neutroni costituito da scintillatore liquido borato, il quale a sua volta è inserito all’interno di un veto per muoni costituito da un rivelatore Cherenkov ad acqua, che consente una efficace soppressione attiva del fondo. Nel 2015 la collaborazione DarkSide ha aperto la strada all'uso di argon a bassissima radioattività da sorgenti sotterranee (UAr) come bersaglio ideale per futuri esperimenti. Il run di fisica con il target di UAr è durato dal 2015 al 2018. Utilizzando questi dati, la collaborazione DarkSide-50 ha pubblicato il suo risultato finale sui candidati di materia oscura WIMP di massa elevata nel 2018, con un limite di esclusione al 90% di CL di 3,78x10-44 cm2 alla massa di 1TeV/c2. Più recentemente, nel 2022, la collaborazione DarkSide ha aggiornato i suoi precedenti risultati sui candidati di materia oscura a bassa massa utilizzando l'intero set di dati acquisito dall'esperimento, e stabilendo il limite piu’ stringente per la sezione d'urto DM-nucleone di 6x10-43 cm2 per una massa WIMP di 3GeV/c2.
L’esperimento DarkSide-20k
L'esperimento DarkSide-20k consiste in un rivelatore alloggiato all'interno di un contenitore sigillato di acciaio inossidabile (vessel) e un veto muonico esterno, inseriti all'interno di un criostato a membrana in stile ProtoDUNE. L’esperimento è attualmente in costruzione nella Hall-C dei LNGS e si prevede che inizi la presa dati nel 2026. DarkSide-20k rileverà la materia oscura WIMP o escluderà un'ampia frazione dello spazio dei parametri WIMP.
Il rivelatore interno è una camera a proiezione temporale in doppia fase contenuta all'interno del vessel e riempito con argon a bassissima radioattività proveniente da sorgenti sotterranee (UAr) e letto da 528 moduli di fotorivelatori basati su SiPM (PDU) e assemblati nella Nuova Officina Assergi (NOA) ai LNGS. La TPC è circondata da un guscio di PMMA caricato con Gadolinio che funge da moderatore di neutroni con una elevata probabilità di cattura, utilizzato per sopprimere gli eventi indotti dal fondo di neutroni. I raggi gamma prodotti a seguito della cattura di neutroni vengono rilevati da segnali di scintillazione in argon nel volume attivo della TPC o nel buffer di UAr che circonda la TPC. Questo secondo buffer di UAr viene letto da ulteriori 120 PDU (vPDU) poste sulle superfici esterne del TPC. L'altezza della TPC è di 350 cm e la massa totale di UAr nel volume attivo è di 49,7 t.
Il vessel separa il volume di UAr dalle 600 t di argon liquido atmosferico (AAr) che riempiono l'intero volume del criostato ProtoDUNE. Il rivelatore di veto esterno è costituito da 32 PDU sospese nel buffer AAr e viene utilizzato per sopprimere il fondo indotto dai muoni cosmici.
DarkSide-20k è progettato per lavorare in condizioni di "fondo nullo", intendendo che tutte le sorgenti di fondi radioattivi naturali o indotti dagli strumenti siano inferiori a 0.1 eventi per una esposizione di 200 tonnellate-anno. Tutti i fondi da radiazione al minimo di ionizzazione saranno completamente rimossi grazie all'azione combinata dell'analisi della forma degli impulsi (“Pulse Shape Discrimination”) della scintillazione primaria ed al suo confronto con la radiazione secondaria. Questa eccellente sensibilità ai rinculi coerenti dei nuclei permetterà a DarkSide-20k di rivelare impulsi di neutrini provenienti dall'esplosione di supernovae nella Via Lattea e, per la maggior parte della galassia, identificare chiaramente l'impulso di neutronizzazione, ottenendo una misura indipendente dal flavor del flusso totale dei neutrini e dell’energia media.
Pubblicazioni recenti su DarkSide-50 e DarkSide-20k
- P. Agnes et al., "Search for low-mass dark matter WIMPs with 12 ton-day exposure of DarkSide-50", Phys. Rev. D 107 (2023), 063001.
- P. Agnes et al., "Search for Dark-Matter–Nucleon Interactions via Migdal Effect with DarkSide-50", Phys. Rev. Lett. 130 (2023), 101001.
- P. Agnes et al., "Search for Dark Matter Particle Interactions with Electron Final States with DarkSide-50", Phys.Rev. Lett. 130 (2023), 101002.
- P. Agnes et al., "DarkSide-50 532-day dark matter search with low-radioactivity argon", Phys. Rev. D 98 (2018), 102006.
- P. Agnes et al., "Results from the first use of low radioactivity argon in a dark matter search", Phys. Rev. D, 93 (2016) 081101(R).
- P. Agnes et al., "Separating 39Ar from 40Ar by cryogenic distillation with Aria for dark-matter searches", Eur.Phys.J.C 81 (2021) 4, 359.
- C. E. Aalseth et al., "Design and Construction of a New Detector to Measure Ultra-Low Radioactive-Isotope Contamination of Argon", JINST 15 P02024.
Responsabile del progetto
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Viceresponsabile
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Sito ufficiale
http://darkside.lngs.infn.it/