Sono stati presentati oggi, mercoledì 22 marzo in un seminario presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, i risultati di XENONnT, l'ultimo rivelatore del progetto XENON dedicato alla ricerca diretta di WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle candidate a formare la materia oscura.
Con una esposizione di poco superiore a una tonnellata-anno, l’analisi dei dati conferma l’elevata sensibilità raggiunta in questa fase dal rivelatore grazie alla riduzione del rumore di fondo. XENONnT quindi ottiene dei nuovi limiti sulla interazione della materia oscura con i nuclei della materia ordinaria. I risultati sono riportati in un articolo sottomesso alla rivista Physical Review Letters e nel preprint già disponibile sul sito di XENON (https://xenonexperiment.org/).
“Con XENONnT abbiamo migliorato i risultati del suo predecessore XENON1T, grazie ad una massa attiva di xenon tre volte più grande e al suo fondo cinque volte più basso, ottenuto con l’utilizzo di nuove tecniche sperimentali come la colonna di distillazione del Radon e il Neutron Veto” annuncia Elena Aprile della Columbia University di New York, portavoce dell’esperimento.
XENONnT è stato progettato per rivelare la materia oscura con una sensibilità di 10 volte superiore al suo predecessore. Il rivelatore posto nel cuore dell’esperimento è una camera a proiezione temporale con xenon in doppia fase, stato liquido e gassoso, di circa 1.5 m in diametro e altezza, riempita con 5900 kg di xenon ultra-puro mantenuto liquido ad una temperatura di -95°C, che funge da bersaglio attivo per l’interazione delle particelle di materia oscura. Il tutto è installato al centro di un serbatoio di acqua, utilizzato come schermo attivo per rivelare i muoni e neutroni che potrebbero simulare falsi segnali. Posizionato in una delle sale sperimentali del Laboratorio sotterraneo del Gran Sasso, XENONnT è stato costruito e messo in funzione fra la primavera del 2020 e quella del 2021. I dati che hanno portato a questi risultati sono stati acquisiti tra luglio e novembre 2021.
L’interazione di una particella WIMP con i nuclei atomici dello xenon produce un debole lampo di luce di scintillazione, seguito dalla produzione di alcuni elettroni che, una volta trasportati dal campo elettrico nella zona gassosa, sono accelerati e producono un secondo segnale luminoso. Entrambi i segnali sono acquisiti ed elaborati, e permettono di ottenere informazioni precise sull’energia e posizione dell’evento.
Gli esperimenti che ricercano materia oscura necessitano di avere livelli di fondo radioattivo più bassi possibile, sia provenienti dalle sorgenti intrinseche nel bersaglio di xenon, sia dai materiali del rivelatore e dell’ambiente circostante. La prima sorgente di fondo è dovuta principalmente al radon, un gas radioattivo naturale, che è costantemente emesso dai materiali del rivelatore, ed è estremamente difficile da ridurre. La collaborazione XENON è stata l’apripista nello sviluppo di tecnologie che hanno permesso la riduzione di tale fondo, grazie alla selezione dei materiali e ad un sistema di distillazione che permette di rimuovere in modo continuativo il radon dallo xenon. Un’altra importante sorgente di fondo è dovuta ai neutroni generati dalla radioattività naturale residua presente nei materiali del rivelatore stesso. In XENONnT, il suo impatto è stato mitigato grazie a un nuovo sistema chiamato “Neutron Veto” installato nel serbatoio di acqua tutto attorno al criostato. Tale sistema permette di riconoscere e quindi eliminare gli eventi dovuti a neutroni, che altrimenti potrebbero essere confusi con quelli dovuti alle WIMP. Il rivelatore XENONnT è così sensibile ad eventi rari che anche i neutrini, le particelle con la minore probabilità di interazione ad oggi note, possono rappresentare un potenziale fondo.
Con questi risultati XENONnT migliora i limiti degli esperimenti precedenti, già con un breve tempo di esposizione. XENONnT sta continuando ad acquisire ulteriori dati, in condizioni sperimentali ancora migliori grazie ad un livello di radon ulteriormente ridotto, in modo da poter migliorare la sensibilità alla possibile interazione di WIMP nei prossimi anni.
Il contributo italiano. I gruppi INFN, coordinati da Marco Selvi della Sezione INFN di Bologna, e guidati da Gabriella Sartorelli (Università e INFN di Bologna), Walter Fulgione (INFN-LNGS), Giancarlo Trinchero (INAF e INFN-Torino), Michele Iacovacci (Università e INFN di Napoli), Alfredo Davide Ferella (Università dell’Aquila) e Guido Zavattini (Università e INFN di Ferrara) fanno parte del progetto XENON fin dal 2009. I gruppi italiani sono responsabili della progettazione, costruzione e funzionamento del sistema di veto di muoni e neutroni, all’interno dello schermo di acqua, cruciali per la riduzione dei fondi ambientali, di quelli dovuti ai materiali e alla radiazione cosmica residua. Hanno progettato e realizzato le varie infrastrutture presso i LNGS, e guidano il gruppo di simulazione Monte Carlo per la predizione e ottimizzazione delle prestazioni del rivelatore, e per la stima delle varie sorgenti di fondo. Partecipano, inoltre, alla purificazione dello xenon, e alla infrastruttura di calcolo dell’esperimento tramite il CNAF. Sono anche coinvolti in diversi aspetti dell’analisi dati che ha portato a questi risultati di XENONnT.
Ulteriori informazioni sul progetto XENON: https://xenonexperiment.org/
Contatti:
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REIS - 22.03.2023