Sabre

sabre 800

 

Introduzione

L’esperimento SABRE (Sodium Iodide with Active Background Rejection) è progettato per la rivelazione diretta delle particelle di materia oscura attraverso l’interazione di queste ultime con i nuclei di un materiale che serve da bersaglio e rivelatore allo stesso tempo. Una  caratteristica, indipendente dai modelli, dei segnali dovuti all’interazione di particelle di materia oscura in un rivelatore terrestre è quella di presentare una modulazione annuale del numero di interazioni che si osservano nel tempo. Questa modulazione sarebbe dovuta al fatto che la velocità stessa della Terra rispetto al sistema di riferimento della nostra Galassia (col quale le particelle di materia oscura sarebbero solidali) varia durante l’anno. Il numero di interazioni è quindi massimo intorno al 2 Giugno. Lo scopo di SABRE è di rivelare tale modulazione annuale utilizzando una serie di cristalli di ioduro di sodio drogato al tallio ad elevata radiopurezza immersi in uno scintillatore liquido che funge da veto attivo. La radiopurezza dei cristalli è una delle caratteristiche principali di SABRE.  Prima della costruzione dell’esperimento vero e proprio è quindi necessario caratterizzare i primi cristalli da circa 5 kg prodotti dalla collaborazione. Il programma scientifico di SABRE prevede inoltre l’installazione di due rivelatori gemelli: uno nell’emisfero nord, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, in Italia, e uno nell’emisfero sud, presso lo Stawell Underground Physics Laboratory in Australia. L’utilizzo di due rivelatori permette di isolare qualsiasi effetto dovuto ai muoni di origine cosmica, la cui modulazione ha una fase opposta nei due emisferi.


Descrizione

Il cuore dell’esperimento SABRE è costituito da rivelatori di Ioduro di Sodio drogato al Tallio (NaI(Tl)), che funzionano come cristalli scintillanti. Lo scattering elastico di una particella di materia oscura su un nucleo del materiale di cui si compone il cristallo (Iodio o Sodio nel caso di cristalli di NaI), causa il rinculo del nucleo colpito. Ogni collisione tra una particella di materia oscura e un nucleo rilascia una piccola quantità di energia (<100 keV), che viene convertita in luce. La luce prodotta viene misurata da due fotomoltiplicatori ad alta efficienza e sensibilità, direttamente affacciati alle estremità del cristallo. Il cristallo e i due fotomoltiplicatori sono inseriti all’interno di un involucro di rame, a formare un modulo di rivelazione. Tali moduli vengono messi in funzione all’interno di un vessel di acciaio riempito di un liquido scintillatore, che agisce come uno schermo attivo. Gli eventi dovuti all’interazione di materia oscura rilasciano energia solo all’interno del cristallo: lo scintillatore liquido permette quindi di identificare una gran parte dei fondi dovuti agli isotopi radioattivi presenti nel cristallo e alla contaminazione residua dei materiali utilizzati. Uno schermo passivo di piombo, polietilene ed acqua riduce il flusso di particelle provenienti dalle sale sperimentali del Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
L’esperimento SABRE ha un programma articolato in due fasi. La prima fase (SABRE Proof of Principle o PoP) ha lo scopo di testare le proprietà dei cristalli di Ioduro di Sodio in termini di radiopurezza, ovvero assenza di contaminazioni radioattive residue che possono compromettere la capacità di tali cristalli di rivelare efficacemente le interazioni di materia oscura. In questa fase verrà utilizzato un cristallo di 5 kg appositamente prodotto seguendo un procedimento specifico volto a ridurre il fondo intrinseco e le contaminazioni esterne. Il cristallo verrà installato all’interno di un veto attivo costituito da ~1.5 tonnellate di scintillatore liquido presso i LNGS.  Qualora il cristallo rispettasse le caratteristiche previste dalla collaborazione verrà avviata la seconda fase del progetto in cui saranno impiegati molti rivelatori con le caratteristiche di radiopurezza verificate nella fase PoP, in un esperimento di grande massa per la ricerca di materia oscura. Per poter distinguere la modulazione annuale dovuta alla materia oscura da un possibile contributo dovuto ad effetti stagionali, due copie identiche del rivelatore SABRE verranno messe in funzione in due diversi emisferi, quello nord (presso i LNGS - in Italia) e quello sud (presso lo Stawell Underground Physics Laboratory - SUPL - in Australia). Eventuali effetti stagionali produrrebbero infatti una modulazione annuale con fasi opposte nei due emisferi, al contrario della modulazione dovuta alla materia oscura, che manterrebbe la stessa identica fase nell’emisfero nord e in quello sud.

 

Responsabile del progetto
Questo indirizzo email è protetto dagli spambots. È necessario abilitare JavaScript per vederlo. (Princeton University)

 
Collaborazione

AUSTRALIA
Australian National University: Gregory Lane, Cedric Simenel, Andrew Stuchbery, Anton Wallner
Swinburne University of Technology: Alan Duffy, Jeremy Mould
University of Adelaide: Paul Jackson, Anthony Thomas, Martin White, Anthony Williams, Bruce Dawson, Gary Hill, Gavin Rowell
University of Melbourne: Elisabetta Barberio, Tiziano Baroncelli, John Koo, Chunha Li, Katherine Mack, Ibtihal Mahmood, Peter McNamara, Francesco Nuti, Phillip Urquijo, Frank Zhang, Madeleine Zurowski

ITALIA
INFN, Laboratori Nazionali del Gran Sasso: Maddalena Antonello, Gabriele Bucciarelli, Giuseppe Di Carlo, Aldo Ianni, Paolo Martella, Donato Orlandi, Michela Paris, Chiara Vignoli, Chiara Zarra
Università degli Studi di Milano & INFN Sezione di Milano: Davide D’Angelo
Sapienza Università di Roma & INFN Sezione di Roma: Ioan Dafinei, Marcella Diemoz, Giulia D’Imperio, Paolo Montini, Valerio Pettinacci, Shahram Rahatlou, Claudia Tomei

UK
Imperial College London: Francis Froborg

USA
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL): Jingke Xu  
Pacific Northwest National Laboratory (PNNL): Isaac Arnquist, Eric Hoppe, Todd Hossbach, John Orrell, Cory Overman
Princeton University: Jay Benziger, Frank Calaprice, Antonio Di Ludovico, Graham Giovanetti, Burkhant Suerfu, Masa Wada