Laboratori Nazionali del Sud

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Fisica Astroparticellare

Gli esperimenti di fisica Astroparticellare studiano il cosmo e fenomeni estremamente rari che possono essere studiati solo in laboratori sotterranei che garantiscono condizioni di “silenzio cosmico”

KM3NeT

L’attività di ricerca in fisica astroparticellare ai LNS ha come principale campo di studio l’astronomia con neutrini di alta energia. I neutrini infatti, essendo particelle neutre debolmente interagenti, consentono di ottenere informazioni sulle regioni più dense all’interno delle sorgenti astrofisiche e su fenomeni che avvengono in regioni remote dell’Universo. Così come la rivelazione di neutrini dal Sole ha fornito informazioni dettagliate sul suo funzionamento, i neutrini cosmici di alta energia (E > TeV), osservati per la prima volta nel 2013 nel rivelatore IceCube al Polo Sud, potranno dare informazioni cruciali sui meccanismi che agiscono nei più potenti acceleratori cosmici. I raggi cosmici sono misurati in apparati di dimensioni gigantesche, decine di migliaia di kilometri quadri, fino a energie enormemente maggiori rispetto a quelle ottenibili con qualsiasi acceleratore costruibile dall’uomo. Eppure, a 100 anni dalla loro scoperta, la loro origine non è ancora nota. Infatti essendo i raggi cosmici costituiti quasi integralmente da particelle cariche (protoni e nuclei) e quindi deviati dai campi magnetici galattici e intergalattici, non conservano informazioni sulla direzione di provenienza. I neutrini non subiscono questi effetti e possono pertanto fornire informazioni sulla localizzazione delle sorgenti di raggi cosmici, ma per rivelarli sono necessari strumenti di dimensioni del kilometro cubo installati in luoghi in cui il rumore di fondo cosmico è ridotto di un milione di volte. L’unica soluzione percorribile è installare questi telescopi negli abissi marini o nelle profondità dei ghiacci dell’Antartide. L’acqua o il ghiaccio hanno una triplice funzione: schermo per i muoni atmosferici, mezzo di conversione dei neutrini in particelle cariche e mezzo che produce luce per effetto Cherenkov al passaggio delle particelle prodotte dall’interazione dei neutrini. Misurando con matrici tridimensionali di sensori ottici i tempi di arrivo e la quantità di luce emessa è possibile risalire all’energia del neutrino e alla sua direzione di provenienza che può essere ricostruita con precisione del decimo di grado.

I LNS sono stati e sono fortemente impegnati in tutte le attività che hanno consentito di avviare la sperimentazione volta a costruire e operare KM3NeT , il telescopio da un kilometro cubo nel Mediterraneo. In questi anni sono stati affrontati gli aspetti progettuali ed è stato individuato e caratterizzato il sito sottomarino. Il sito selezionato per l’installazione di KM3NeT è a 3500 m di profondità a 80 km al largo di Capo Passero. Le sfide tecnologiche legate all’ambiente ostile (pressione, corrosione, difficile accessibilità, …) sono molteplici e hanno richiesto diverse fasi di progettazione e validazione dei prototipi in situ. La prima fase del progetto è costruzione. Il gruppo LNS partecipa inoltre all’esperimento ANTARES, prototipo da 0,01 km3 precursore di KM3NeT, installato al largo di Tolone a 2500 m di profondità.

 

DARKSIDE

L’esperimento DarkSide, che si propone di dimostrare l’esistenza della materia oscura di tipo WIMP, e l’esperimento GERDA, che ricerca un processo nucleare raro: il decadimento doppio beta senza neutrini [cross-link alla pagina NUMEN@LNS].

Si ritiene che la materia oscura costituisca circa il 30% del nostro Universo e che sia di tipo “non barionico”, ossia non composta da protoni, neutroni, né da elettroni come la materia ordinaria. Alcune teorie prevedono che la materia oscura sia composta da nuove particelle di tipo WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, particelle massive debolmente interagenti), che pervadono la Galassia come una sorta di vento. Può accadere, molto raramente, che una particella WIMP urti contro un nucleo ordinario e che lo metta in movimento, proprio come farebbe una palla da biliardo. L’esperimento DarkSide cerca appunto di rivelare le interazioni di particelle WIMP su nuclei di Argon, che viene tenuto in fase liquida a -187 C, usando la tecnologia delle Time Projection Chambers (TPC) a doppia fase.  Le interazioni di WIMP su Argon sono così rare che l’esperimento deve essere svolto in un laboratorio sotterraneo e deve essere equipaggiato con schermature e altri accorgimenti in grado di sopprimere le interazioni spurie da parte delle particelle “normali” (per esempio neutroni  o fotoni gamma). L’esperimento DarkSide 50 (DS50), con 50 kg di Argon liquido attivo, è attualmente in corso presso i Laboratori del Gran Sasso.  La prossima fase del progetto, che è in preparazione, prevede il passaggio a 20 tonnellate di Argon liquido attivo (DS20k) sempre presso i LNGS.

GERDA

Il decadimento doppio beta senza neutrini è una trasformazione nucleare rara, al momento mai osservata sperimentalmente, ma predetta da molte teorie accreditate. Nel decadimento doppio beta senza neutrini un nucleo si trasforma in un altro nucleo, distante due caselle sulla tavola periodica, emettendo due elettroni e nessun neutrino. Questa trasformazione viola la legge di conservazione del numero leptonico: se la sua esistenza di fosse confermata sperimentalmente, ciò implicherebbe che il neutrino è una particella di Majorana, ossia identica alla sua anti-particella, anziché una particella di Dirac. La natura di Dirac/Majorana del neutrino è strettamente legata alla questione dell’asimmetria fra materia e antimateria nell’Universo. Un nucleo che potrebbe trasformarsi tramite decadimento doppio beta senza neutrini è il 76Ge. L’esperimento GERmanium Detector Array (GERDA) ai Laboratori del Gran Sasso sta cercando il decadimento doppio beta del 76Ge utilizzando rivelatori di Germanio ultra-puro con un alto contenuto di 76Ge. Anche in questo caso, è fondamentale che l’esperimento sia effettuato in un laboratorio sotterraneo e che si dispongano precauzioni e schermature, per evitare che il rarissimo segnale che si vuole osservare sia completamente nascosto da eventi di fondo “ordinario”, che sono molto più abbondanti. Ad esempio, i rivelatori sono immersi in un bagno di Argon liquido ultra-puro, che funge allo stesso tempo da refrigerante e da schermo. L’esperimento ha completato la prima fase nel 2013 ed ha iniziato la seconda fase di presa dati, con prestazioni migliorate, a Dicembre 2015.

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