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

KM3NeT è uno dei progetti facente parte della roadmap 2018 dell'ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures). La collaborazione KM3NeT sta costruendo due rivelatori per neutrini nel Mar Mediterraneo per lo studio dei neutrini di alta energia di origine astrofisica e delle oscillazioni dei neutrini. Il rivelatore ARCA, che è in costruzione al largo delle coste siciliane di Capo Passero, ha come scopo la misura di neutrini altamente energetici provenienti da sorgenti galattiche ed extra-galattiche. I neutrini cosmici di alta energia, osservati per la prima volta nel 2013 dal rivelatore IceCube al Polo Sud, possono dare informazioni cruciali sui meccanismi che hanno luogo nei più potenti acceleratori cosmici. Infatti, i meccanismi di emissione di particelle di energia estrema non sono ancora noti. Enormi rivelatori progettati per studiare la radiazione cosmica di alta energia che irraggia la Terra ed estesi per migliaia di chilometri quadrati, hanno misurato particelle fino a energie enormemente maggiori rispetto a quelle ottenibili con qualsiasi acceleratore costruibile dall'uomo. Tuttavia, l'origine di tali particelle è ancora sconosciuta.
I raggi cosmici sono costituiti principalmente da particelle con una carica elettrica, in larga parte protoni, che viaggiando nello spazio vengono deflessi dai campi magnetici galattici e intergalattici, perdendo l'informazione sulla direzione di provenienza. I neutrini invece sono particelle senza carica elettrica e pertanto non vengono deviati durante il loro viaggio nel cosmo, e quindi forniscono informazioni dirette sulle sorgenti dei raggi cosmici. Inoltre, i neutrini, essendo particelle debolmente interagenti, possono viaggiare attraverso enormi distanze, permettendo di studiare le regioni interne delle sorgenti astrofisiche e fenomeni che avvengono in regioni remote dell'Universo. Per rivelare i neutrini sono necessari strumenti di dimensioni dell'ordine del chilometro cubo installati in luoghi in cui i segnali di fondo sono ridotti 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 il fondo di muoni atmosferici, mezzo di conversione dei neutrini in particelle cariche e mezzo che produce luce per effetto Cherenkov al passaggio delle particelle prodotte dallinterazione dei neutrini. Misurando con matrici tridimensionali di sensori ottici i tempi di arrivo dei fotoni e la posizione nello spazio dei sensori ottici è possibile risalire alla direzione di provenienza dei neutrini. Tale direzione può essere ricostruita con precisione inferiore al decimo di grado rendendo possibile definire con buona precisione la sorgente che emette i neutrini.
I LNS sono stati e sono fortemente impegnati in tutte le attività di progettazione e di costruzione del rivelatore. Nel passato sono stati affrontati gli aspetti progettuali ed è stato individuato e caratterizzato il sito sottomarino. Il sito selezionato per l'installazione del rivelatore ARCA 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 lo sviluppo di nuove tecnologie che sono state validate con la messa in opera di prototipi. Attualmente il gruppo KM3NeT ai LNS, che consiste di circa 20 fisici e ingegneri, è fortemente coinvolto nella fase di costruzione della rete di fondo e di integrazione delle unità di rivelazione.
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

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 in fase di conclusione presso i Laboratori del Gran Sasso (LNGS). Le prossime fasi del progetto, che sono in preparazione, prevedono il passaggio a 50 tonnellate di Argon liquido attivo (DS20k), sempre presso i LNGS, e poi a 300 tonnellate (ARGO). L'attività principale di riferimento dei LNS è il progetto ReD (Recoil Directionality): una TPC a doppia fase miniaturizzata, che è la versione in scala ridotta di quella in preparazione per DS20k, viene caratterizzata e calibrata usando neutroni, che vengono prodotti facendo incidere un fascio di ⁷Li accelerato dal TANDEM su un bersaglio di polietilene.

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 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. Dopo una prima fase conclusa nel 2013, la presa dati, con prestazioni migliorate, è ripresa a Dicembre 2015 ed è stata recentemente completata nel Dicembre 2019. L'esperimento ha infatti raggiunto tutti gli obiettivi progettuali, in termini di fondo e di dati accumulati: i dati di GERDA non indicano evidenza per il decadimento doppio beta senza neutrini e consentono di determinare un limite inferiore alla vita media del decadimento di 1.8 10²⁶ anni, al 90% di livello di confidenza.
L'infrastruttura di GERDA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso è stata rilevata dal progetto LEGEND, che si propone di cercare il decadimento doppio beta senza neutrini del ⁷⁶Ge con sensibilità ulteriormente incrementata.

NU AT FNAL

I Laboratori Nazionali del Sud partecipano al programma di ricerca NU_AT_FNAL finanziato dalla CSN2. Il programma include due diversi esperimenti inerenti alla fisica del neutrino al Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL): SBN e DUNE.
L'esperimento Short Baseline Neutrino (SBN) è progettato per verificare o confutare l'esistenza di neutrini sterili con massa dell'ordine di 1 eV. La ricerca di neutrini sterili leggeri è motivata da una serie di anomalie sulle oscillazioni di neutrino, osservate nei risultati di alcuni esperimenti come LSND e MiniBooNE. I neutrini sterili, se esistono, non sono direttamente osservabili poiché non interagiscono con la materia ordinaria attraverso l'interazione debole, ma modificano i pattern delle oscillazioni tra i sapori standard di neutrino. La loro scoperta aprirebbe quindi le porte ad una nuova fisica oltre il Modello Standard delle particelle elementari.
L'esperimento SBN prevede l'impiego di un fascio di neutrini e di tre rivelatori di argon liquido: SBND, MicroBoone e ICARUS a diverse distanze. In particolare, il rivelatore ICARUS, che fungerà da far detector, arriva dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dove ha operato dal 2010 al 2014, utilizzando il fascio di neutrini proveniente dal CERN. SBN è in fase di realizzazione presso il Fermilab di Chicago e l'inizio delle attività di presa dati è prevista nel 2020. I Laboratori Nazionali del Sud hanno partecipato alla costruzione del Cosmic Ray Tagger di ICARUS e prenderanno parte alle attività di analisi dati e simulazione Monte Carlo. SBN darà inoltre importanti informazioni sulla rivelazione di neutrini in argon liquido, utilizzata con volumi molto maggiori anche nel Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), all'avanguardia per un'indagine completa sulle oscillazioni dei neutrini.
DUNE è un esperimento di long baseline in cui un intenso fascio di neutrini prodotto al FNAL verrà rivelato da un near detector a 375 m e da un far detector installato nello Sanford Underground Research Laboratory, nel Dakota del Sud, a 1.300 chilometri a valle della sorgente di fascio. Uno dei principali obiettivi di DUNE è testare la violazione della simmetria CP nel settore leptonico. Tale violazione potrebbe spiegare perché nell'Universo la materia prevale fortemente sull'antimateria, sebbene la teoria del Big Bang preveda che particelle e anti-particelle siano state create in parti uguali. La violazione CP è stata già osservata nei decadimenti di mesoni, composti di coppie quark-antiquark, ma è troppo piccola per spiegare l'asimmetria materia-antimateria. L'osservazione della violazione di CP nel settore leptonico potrebbe quindi dare un importante contributo alla conoscenza della natura della materia e dell'evoluzione dell'Universo.
I Laboratori Nazionali del Sud sono coinvolti nella progettazione del near detector di DUNE. Questo sarà costituito da un complesso di sistemi di rivelazione fra i quali l'apparato System for on-Axis Neutrino Detection (SAND). Il sistema SAND, proposto dalla componente italiana della collaborazione, prevede il riuso del rivelatore KLOE, in funzione dal 1999 al 2018 con il collisore DAΦNE dei Laboratori Nazionali di Frascati. SAND permetterà di monitorare continuamente lo spettro del fascio di neutrini misurando limpulso e l'energia delle particelle prodotte nelle interazioni dei neutrini. I Laboratori Nazionali del Sud partecipano inoltre alla caratterizzazione e qualifica dei SiPM per la lettura della luce nel far detector.

ONDE GRAVITAZIONALI

I principali esperimenti inerenti la rivelazione delle Onde Gravitazionali vedono il coinvolgimento di ricercatori dei Laboratori Nazionali del Sud. Di recente si è diffuso un interesse via via crescente intorno alla rivelazione delle Onde Gravitazionali grazie alla rivelazione della prima onda gravitazionale, prodotta dalla coalescenza di due buchi neri, e la scoperta di un'onda gravitazionale emessa nella coalescenza di due stelle di neutroni, evento che apre la strada alla astronomia multi-messaggera. Le Onde Gravitazionali sono una conseguenza della Teoria della Relatività Generale di Einstein. Esse rappresentano delle increspature nello spazio-tempo che si propagano alla velocità della luce e sono prodotte dall'accelerazione o dalla deformazione di grandi masse. Questo accade in molti ambiti astrofisici, quali ad esempio esplosioni di supernova, interazione tra buchi neri o stelle di neutroni. Le onde siffatte viaggiano nello spazio-tempo, deformandolo e producendo dei miniterremoti dello spazio-tempo.

VIRGO

Virgo è un interferometro laser gigante ideato per la rivelazione delle Onde Gravitazionali. Virgo è stato progettato e costruito da una collaborazione tra il Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) e l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Il rivelatore è installato sul sito dell'Osservatorio Europeo della Gravitazione (European Gravitationa Observatory, EGO) a Cascina, nei pressi di Pisa. Il rivelatore è un interferometro laser Michelson, costituito da due bracci ortogonali, ognuno di 3 km, in cui le riflessioni multiple della luce laser, grazie a specchi posti alle estremità di ogni braccio, permettono di raggiungere un cammino ottico di circa 120 km per braccio. Virgo al momento è in presa dati congiuntamente ai rivelatori LIGO negli USA e al rivelatore KAGRA in Giappone.
Il Gruppo LNS è principalmente coinvolto nell'analisi dei dati dei rivelatori VIRGO/LIGO/KAGRA, in particolare si occupa della ricerca di Onde Gravitazionali dovute ad eventi astrofisici per i quali sono attesi delle controparti elettromagnetiche. L'analisi dati si concentra in particolare sulla ricerca di Onde Gravitazionali correlate allosservazione di Gamma Ray Burst (GRB) e Short Radio Burst (FRB).

ET

Gli attuali rivelatori di Onde Gravitazionali sono definiti "Advanced Detectors" perché rappresentano l'evoluzione dei Rivelatori di Onde Gravitazionali di Prima Generazione, in funzione negli anni scorsi. Essi fanno uso di infrastrutture vecchie di 20 anni, concepite con le conoscenze e le tecnologie di 20 anni fa. Tipicamente questi rivelatori hanno un duty-cycle limitato dalle condizioni atmosferiche e la loro sensibilità alle basse frequenze è limitata dal rumore Newtoniano.
In questi anni la comunità scientifica sta preparando il progetto per la realizzazione di un rivelatore di onde gravitazionali di terza generazione. In particolare, in Europa, si lavora alla realizzazione dell'Einstein Telescope (ET). ET potrà contare su tutti i miglioramenti tecnologici avvenuti in questi anni in diversi aspetti cruciali dellapparato sperimentale: dalle nuove tecnologie laser ai componenti ottici, dai nuovi attenuatori sismici ai nuovi sistemi di controllo, dalla realizzazione di parti ottiche e sospensioni in grado di lavorare a temperature criogeniche ai nuovi sistemi di analisi dati. ET farà uso di una infrastruttura disegnata ad hoc e sarà un interferometro laser realizzato sottoterra, operante a temperature criogeniche e avente i bracci lunghi almeno 10 km.
La miniera di Sos Enattos in Sardegna è stata identificata tra i migliori candidati atti ad ospitare ET e il gruppo LNS è fortemente impegnato nel preparare e sostenere la candidatura di Sos Enattos quale sede del rivelatore. Al momento sono in corso studi sulla geologia del sito, misure del rumore sismico e ambientale e lo studio della sensitività di ET, soprattutto alle basse frequenze (tra 1 e 10 Hz) raggiungibile a Sos Enattos.