Una tecnologia innovativa permetterà di estendere i limiti nella ricerca di segnali rari. Nella ricerca globale della materia oscura, l'esperimento XENONnT presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'INFN si distingue come uno dei rivelatori più sensibili al mondo in questo campo.
La collaborazione internazionale, che comprende oltre 190 scienziati provenienti da 30 istituzioni in tutto il mondo, ha raggiunto un importante risultato tecnologico: una significativa riduzione del rumore di fondo radioattivo, un'impresa mai raggiunta in precedenza negli esperimenti di fisica degli eventi rari.
Il cuore di questa innovazione è un sistema di distillazione criogenica che purifica lo xeno liquido all'interno del rivelatore. Il nuovo sistema ha ridotto la radioattività indotta dal radon a un livello straordinariamente basso: un miliardo di volte inferiore alla radioattività naturale del corpo umano e un fattore quattro inferiore rispetto al precedente livello record in XENONnT.
Questo risultato è cruciale per rilevare i segnali estremamente deboli nei rivelatori a base di xeno provenienti dalle rare interazioni di particelle della materia oscura.
Il rivelatore XENONnT mira a misurare le interazioni di ipotetiche particelle di materia oscura con gli atomi di xeno. Schermato nelle profondità sotterranee dai raggi cosmici e mantenuto a -95 °C per conservare lo xeno nel suo stato liquido, il rivelatore richiede un ambiente praticamente privo di contaminazioni. Tuttavia, anche tracce di radon possono creare falsi segnali, oscurando gli eventi rari che gli scienziati stanno cercando.
La nuova colonna di distillazione purifica continuamente lo xeno, abbassando la concentrazione di radon fino a soli 430 atomi di radon per tonnellata di xeno liquido, rendendo il loro contributo di fondo paragonabile a quello dei neutrini solari. Questo stabilisce un nuovo punto di riferimento per la purezza nei rivelatori a base di xeno e aumenta drasticamente la sensibilità alle interazioni di particelle rare.
"L'esperimento XENONnT è una testimonianza della potenza della collaborazione internazionale e dell'innovazione continua. Questa svolta nella tecnologia di purificazione non è solo un passo incrementale; è un balzo in avanti che accresce drasticamente la nostra capacità di ascoltare i deboli sussurri della materia oscura nell'universo," afferma Christian Weinheimer, Professore all'Università di Münster il cui gruppo ha guidato lo sviluppo di questa tecnologia.
"Questo risultato è un passo fondamentale non solo per la campagna di misura in corso, ma anche e soprattutto in vista delle future ricerche di materia oscura e di neutrini solari con rivelatori a xeno liquido, poiché stabilisce un nuovo standard di purezza che aprirà la strada a una sensibilità ancora maggiore nei prossimi esperimenti," sottolinea Marco Selvi, ricercatore INFN a Bologna e responsabile dei gruppi italiani della Collaborazione.
I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista Physical Review X 15, 031079 (Aprile E. et al. (2025): Radon Removal in XENONnT down to the Solar Neutrino Level -
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/zc1w-88p6).
REIS - 01.10.2025