oggiscienza.itEsperimento PADME, caccia al fotone oscuro e della quinta forza
SCOPERTE In un capannone, in fondo a una stradina nei Laboratori
Nazionali di Frascati dellIstituto Nazionale di Fisica Nucleare, il
4 ottobre è stata avviata la corsa a caccia alla materia
oscura. Mauro Raggi e Paolo Valente sono i due ricercatori dellINFN
che insieme a un team di colleghi hanno lavorato alla costruzione e
messa in opera dellesperimento PADME, Positron Annihilation into
Dark Matter Experiment, un rivelatore che andrà alla ricerca
dei fotoni oscuri prodotti dallannichilazione tra elettroni e
positroni. Siamo andati a vederlo di persona. Mauro Raggi,
ricercatore INFN e spokesperson di PADME, illustra le
caratteristiche dellesperimento. Le particelle vengono prodotte
dallacceleratore lineare LINAC, nascosto sotto una collinetta e
lungo circa 60 metri, e il primo RUN di presa dati iniziato a
ottobre si concluderà a gennaio 2019. Lobiettivo dei
ricercatori è ambizioso: trovare il fotone oscuro,
messaggero della quinta forza che potrebbe governare la materia
oscura e aprire una strada verso la sua osservazione diretta e la
comprensione della sua natura. Lesperimento prevede che un fascio
di positroni che crea un milione di collisioni di particelle al
secondo su un bersaglio di diamante riesca a catturare il fotone
oscuro. Le particelle sono accelerate allenergia di 550
megaelettronvolt (MeV). Come ha sottolineato Raggi. PADME è
un esperimento piccolo rispetto ai grandi mostri del CERN, ma siamo
orgogliosi del fatto che sia un esperimento fatto in Italia e che
potrà avere un impatto a livello globale. Fotoni oscuri e
quinta forza Circa il 5% delluniverso è composto da materia
ordinaria ed è governato da quattro forze fondamentali:
gravitazionale, elettromagnetica, nucleare debole e nucleare forte.
Il restante 95% è composto da materia oscura (27%) ed
energia oscura. A oggi non conosciamo la natura di questo tipo di
materia che interagisce solo attraverso una delle forze, la
gravità. Dopo una caccia che dura da anni, alcuni scienziati
hanno ipotizzato che la materia oscura possa essere dominata da una
quinta forza fondamentale che come per le altre è associata
a una particella messaggera, ad esempio un fotone pesante e dotato
di una piccola massa, al contrario del fotone messaggero
dellinterazione elettromagnetica che ha massa nulla. Un fotone
oscuro che veicola la quinta forza, quella in grado di connettere
la materia oscura con il nostro mondo. Fernando Ferroni, presidente
dellINFN, ha commentato: Il problema della materia oscura è
certamente tra i più importanti della fisica moderna, e
lINFN è impegnato a fondo in tutti i grandi esperimenti,
spesso con un ruolo di guida. È cruciale però anche
verificare modelli teorici meno studiati, grazie a piccoli
esperimenti dedicati, come PADME, che sfruttano la grande
competenza dellINFN nella tecnologia degli acceleratori. Raggi ha
spiegato che PADME si servirà per la prima volta di
collisioni di positroni su un bersaglio fisso, con lo scopo di
esplorare il contenuto di quella parte nascosta del cosmo che
chiamiamo materia oscura. La possibilità che esistano nuove
forze e nuove particelle sconosciute è sicuramente una
frontiera molto affascinante e il team dellesperimento è
molto orgoglioso di partecipare a questa impresa. PADME, un piccolo
e preciso esperimento Lesperimento PADME si trova nella sala
sperimentale della struttura di test del Linac, lacceleratore
lineare nei Laboratori Nazionali di Frascati dellINFN, che accelera
un fascio di antielettroni, o positroni, sparandoli su un sottile
bersaglio di diamante. Il fascio interagisce con gli elettroni
presenti nel bersaglio e potrebbe produrre fotoni oscuri assieme a
un fotone visibile. I dati sono ricevuti da fibre ottiche e
analizzati nella sala di controlli. Il calorimetro dellesperimento
PADME consente di misurare lenergia e la posizione del fotone
visibile ed è composto da 600 cristalli scintillanti
inorganici e un magnete sviluppato dal CERN. Per rilevare i fotoni
emessi PADME è dotato di un calorimetro, composto da circa
600 cristalli scintillanti inorganici, e un magnete sviluppato dal
CERN di Ginevra allontana dai rivelatori i positroni che non
interagiscono con il bersaglio. Lestrema precisione del rivelatore
permetterà di ottenere una misura dellenergia e della
posizione del fotone visibile da cui gli scienziati, oltre 40
fisici con la significativa collaborazione di colleghi da Bulgaria,
Ungheria e Stati Uniti, potranno ricavare informazioni
sulleventuale esistenza del fotone oscuro e sulla sua massa. Le
tecnologie sviluppate per lesperimento sono il frutto di
progettazioni innovative. Il bersaglio è costituito da un
diamante artificiale policristallino spesso appena un decimo di
millimetro e che costituisce il cuore di PADME, agendo anche come
rivelatore. Il dispositivo è stato realizzato dai laboratori
INFN della sezione di Lecce in collaborazione con i fisici del
Laboratorio L3 dellUniversità del Salento e sfrutta una
nuova tecnica per la realizzazione degli elettrodi basata
sullirraggiamento con luce laser della superficie del diamante per
produrre strisce di grafite conduttive. Il calorimetro invece
è costruito con un materiale, il BGO, nato per la fisica
delle particelle e grazie a caratteristiche di granularità,
alta efficienza e densità è un esempio di tecnologie
nate per la ricerca scientifica di base che trovano applicazione in
svariati campi, ad esempio nella PET per esami diagnostici. Il
monitor di fascio invece è realizzato con una tecnologia di
pixel al silicio chiamata TimePix, sviluppata dal CERN, che
permette di ottenere tempo e coordinate delle particelle con grande
precisione. Paolo Valente, ricercatore e spokesperson
dellesperimento, ha spiegato che PADME sfrutta uninfrastruttura di
ricerca chiamata Beam Test Facility (BTF) che estrae particelle
accelerate nel LINAC (acceleratore lineare) e che è stata
impiegata, negli ultimi 15 anni, dalla comunità dei fisici
sperimentali per lo sviluppo di nuove tecnologie di rivelatori. In
futuro, inoltre, sarà possibile usare la BTF anche per
applicazioni industriali, per esempio nel campo dello studio dei
danni da irraggiamento. Fotone oscuro, la caccia è aperta
Proprio grazie alle sue dimensioni ridotte, PADME affianca grandi
esperimenti nella ricerca del fotone oscuro, ma lavora a energie
inferiori sotto al MeV. Il primo RUN di presa dati è stato
avviato il 4 ottobre e durerà fino al prossimo gennaio 2019,
quando sarà interrotto per permettere ad altri esperimenti
presenti ai LNF di svolgere le loro prese dati. Intanto gli
scienziati avranno la possibilità di analizzare i dati
raccolti e verificare gli strumenti, valutando anche leventuale
necessità di correzione o modifiche allesperimento.
Pierluigi Camapana, direttore dei LNF dellINFN, ha commentato:
PADME è la migliore dimostrazione che anche laboratori di
medie dimensioni, come Frascati, possono avere un programma di
fisica fondamentale di alto livello. Oggi la ricerca delle
motivazioni della materia oscura è una delle sfide
più appassionanti e difficili e richiede una
molteplicità di approcci. La caccia è aperta. Segui
Veronica Nicosia su Twitter Leggi anche: WIMP, caccia aperta alla
materia oscura con XENON1T Pubblicato con licenza Creative Commons
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