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Il Progetto DAMA e la modulazione annuale della materia oscura

C’è più dell’universo che non comprendiamo di quanto comprendiamo. La materia ordinaria – il materiale che gli scienziati hanno impiegato per decenni a studiare – costituisce circa il cinque percento dell’universo. Si pensa che il resto sia composto da energia oscura (circa il 70 %) e materia oscura (circa il 25 %). Cos’è tutta questa roba oscura e come sappiamo che è lì se non siamo nemmeno in grado di vederlo direttamente?

Sappiamo che la materia oscura esiste perché agisce sul cosmo in un certo numero di modi. Negli anni ’30, un astrofisico di nome Fritz Zwicky realizzò che, per agire come loro, i gruppi di galassie devono contenere molta più massa di quanto fosse effettivamente visibile. Se le galassie contenevano anche materia invisibile “oscura”, tutto aveva molto più senso. Poi, negli anni ’70, l’astronoma Vera Rubin scoprì che le stelle ai margini di una galassia si muovono altrettanto rapidamente delle stelle vicino al centro. Questa osservazione ha senso se le stelle visibili erano circondate da un alone di qualcosa di invisibile: materia oscura.

Da allora, una serie di altre osservazioni astronomiche hanno confermato gli effetti della materia oscura. Diverse dozzine di esperimenti sono ora a caccia di prove più forti che la materia oscura esiste. Molti di questi esperimenti cercano particelle massive Interacting debolmente o WIMP. Altri cercano una particella chiamata axion, una particella neutra teorica che interagisce con altre particelle straordinariamente debolmente, o versioni teorizzate della materia oscura del fotone.

Gli esperimenti generalmente cacciano le particelle di materia oscura in due modi: o attraverso una ricerca diretta in cui le particelle di materia oscura colpiscono il materiale bersaglio e spargono i nuclei atomici, risultando in un rinculo nucleare misurabile (questi esperimenti si trovano di solito nel sottosuolo, dove c’è poco rumore di sottofondo), o attraverso una ricerca indiretta di particelle che dovrebbero apparire se una particella di materia oscura annulla (questi esperimenti sono generalmente condotti con telescopi terrestri o spaziali).

Si pensa anche che se le particelle di materia oscura possono annichilarsi in particelle regolari (o Modello standard), allora il contrario potrebbe essere vero e che particelle di materia oscura potrebbero essere create durante collisioni ad alta energia come quelle del Large Hadron Collider.

Il progetto DAMA

ll progetto DAMA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN è un osservatorio per lo studio di processi rari grazie allo sviluppo e all’uso di rivelatori a scintillazione di elevata radio purezza e grande massa. Questo esperimento è dedicato principalmente all’investigazione di particelle di Materia Oscura nell’alone galattico e alla ricerca di vari altri processi rari (modi di decadimento doppio-beta in molti isotopi, possibili processi di non conservazione della carica, possibili processi che violino il principio di esclusione di Pauli, stabilità dei nucleoni, ricerca di assioni solari e particelle esotiche, ecc.)

materia oscura

L’obiettivo di base degli esperimenti sulla rilevazione della materia oscura è quello di misurare l’energia depositata quando le WIMP interagiscono con i nuclei in un rivelatore, trasferendo parte della loro energia ai nuclei. Questi esperimenti di solito operano in profondità nel sottosuolo per ridurre lo sfondo dai raggi cosmici.

Si prevede che la frequenza degli eventi della materia oscura modulerà ogni anno, creando una modifica del segnale nel tasso di eventi che può essere utilizzato per identificarlo nei rivelatori.

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Secondo modelli comunemente accettati, la materia oscura galattica è distribuita in un alone diffuso, approssimativamente sferico attraverso il quale il sistema solare viaggia mentre si muove all’interno del disco della Via Lattea. Poiché la velocità relativa del rivelatore rispetto alla materia oscura dipende dal periodo dell’anno, la frequenza di conteggio mostra una dipendenza sinusoidale nel tempo. Tale modulazione mostrerebbe un periodo di un anno terrestre e un picco quando la velocità relativa è al massimo (giugno).

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Risultati dell’esperimento DAMA/LIBRA. Le righe verticali sono poste in corrispondenza del 2 giugno. Image Credit: R. Bernabei et al, DAMA/LIBRA results and perspectives, 2012

Attualmente c’è una disputa nel campo di ricerca WIMP: l’esperimento DAMA ha fornito dati in due fasi (DAMA / NaI e DAMA / LIBRA) dei suoi rilevatori NaI (Tl) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) in Italia. I dati raccolti presentano una modulazione di 9.5 sigma che è una conferma della materia oscura: tuttavia, l’interpretazione della materia oscura dei risultati è contestata perché il progetto DAMA è stato escluso dalle osservazioni di altri esperimenti di rilevamento diretto come LUX , XENON100 e SuperCDMS .

Tutti gli altri esperimenti che criticano i risultati DAMA si basano su tecniche di rilevamento diverse (LUX, XENON sono rivelatori di xeno liquido a doppia fase e SuperCDMS utilizza germanio criogenico). Ecco perché è importante fare un esperimento sulla materia oscura usando cristalli NaI (Tl) per testare il risultato di DAMA. Insieme all’esperimento COSINE, gli esperimenti ANAIS e SABER stanno preparando l’esperimento NaI (Tl).

Rivelatori

Il rivelatore DAMA/LIBRA (Large sodium Iodide Bulk for RAre processes) è composto da 25 cristalli scintillatori di Ioduro di Sodio drogato al Tallio (NaI(Tl)) ultra-radiopuri, cioè realizzati rimuovendo in modo molto efficace materiali radioattivi di cui vi poteva esser traccia. Tali cristalli sono disposti in una matrice di 5-righe per 5-colonne, ed ogni cristallo è accoppiato con due fotomoltiplicatori attraverso guide di luce.

I rivelatori sono installati all’interno di una scatola di rame sigillata e mantenuta al suo interno in atmosfera di azoto iperpuro; per ridurre il fondo ambientale naturale, la scatola di rame è circondata da una schermatura di molte tonnellate composta da rame, piombo, polietilene/paraffina, fogli di cadmio. Inoltre circa 1 m di cemento circonda tale schermatura. Nel 2008 e nel 2010 sono stati realizzati alcuni miglioramenti di DAMA/LIBRA.

In particolare, l’importante intervento del 2010 ha permesso di realizzare la nuova fase 2 di DAMA/LIBRA diminuendo la soglia energetica e incrementando la sensibilità dell’apparato.

Gli apparati DAMA/Nal e DAMA/LIBRA

Sono stati progettati e realizzati per essere in grado di dare una risposta sulla presenza di particelle di materia oscura nell’alone galattico in modo indipendente da modelli teorici ipotizzati a priori, grazie alla marcatura (cioè alla caratteristica identificazione) detta “della modulazione annuale”. Questa marcatura – originariamente suggerita a metà degli anni ’80 da Freese et al. – richiede che molti requisiti specifici siano soddisfatti contemporaneamente in modo da fornire un’evidenza inequivocabile.

Infatti, a causa del moto di rivoluzione della Terra intorno al Sole e del moto del Sole nella Galassia, il flusso di particelle di materia oscura che raggiungono la Terra è atteso variare ciclicamente ogni anno. In particolare, il flusso è massimo intorno a circa il 2 Giugno – quando la componente della velocità della Terra parallela alla velocità del Sole nel riferimento galattico è massima – quindi diminuisce fino a raggiungere il minimo sei mesi più tardi, per poi crescere di nuovo.

progetto DAMA
Ci si aspetta, perciò, di misurare un numero maggiore di interazioni di particelle di materia oscura con lo Ioduro di Sodio intorno a circa il 2 Giugno ed un numero minore intorno a circa il 2 Dicembre. L’origine di questo effetto è diversa da quella delle stagioni sulla Terra e presenta, quindi, molte peculiarità diverse (ad esempio, la fase) rispetto ad effetti invece con esse correlati. La marcatura della modulazione annuale è molto distintiva ed è estremamente efficace perché devono essere soddisfatti contemporaneamente molti requisiti: 1) il tasso di conteggio deve variare ciclicamente in accordo con una funzione di tipo coseno; 2) deve variare con periodo di un anno; 3) deve avere un massimo intorno a circa il 2 Giugno; 4) deve riguardare solo particelle che rilasciano poca energia nel rivelatore, come fanno le particelle di materia oscura; 5) deve riguardare solo gli eventi in cui uno solo dei rivelatori dell’apparato produce segnale, poiché la probabilità che una particella di materia oscura interagisca con più rivelatori è trascurabile; 6) l’ ampiezza della componente modulata deve essere, nella maggior parte degli scenari, minore di circa il 7%.

Tutto questo rende questa strategia molto competitiva a patto di realizzare un esperimento di grande massa, elevata radio purezza e con un elevato controllo delle condizioni di misura, come è il caso del precedente esperimento DAMA/NaI e dell’attuale DAMA/LIBRA. DAMA/NaI è stato in misura per sette cicli annuali fino al Luglio del 2002 ed ha osservato un effetto di modulazione annuale che soddisfa tutte le caratteristiche peculiari della marcatura della modulazione annuale.

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Il suo mistero appassiona gli scienziati da quasi un secolo. Una massa che c’è ma non si vede, per spiegare il moto delle galassie. Ma anche di che cosa è fatto l’Universo. Ora, dalle profondità dei laboratori abruzzesi, si prova a “catturarla”. E l’Italia è ancora una volta in prima linea nella ricerca fisica Come è avvenuto per la scoperta della “particella di Dio”

Questa misura è stata la prima evidenza sperimentale diretta di rivelazione della materia oscura e della sua presenza nella nostra Galassia. Questo risultato è stato ulteriormente ed indipendentemente confermato dai risultati ottenuti nei primi 4 cicli annuali di DAMA/LIBRA rilasciati nel 2008 e negli ulteriori risultati dei successivi 2 cicli annuali rilasciati all’inizio del 2010. Anche DAMA/LIBRA, infatti, ha misurato un effetto di modulazione annuale con le stesse peculiarità del segnale osservato da DAMA/NaI, raggiungendo una migliore sensibilità grazie anche alla maggiore massa esposta.

Considerando complessivamente i dati cumulativi dei due esperimenti, le misure si riferiscono a ben 14 cicli annuali, in ciascuno dei quali è stato osservato in modo indipendente tale effetto di modulazione; l’esposizione complessiva raggiunta è di circa 1,33 tonnellate x anno, vari ordini di grandezza più grande delle esposizioni raggiunte tipicamente in questo campo.

L’effetto di modulazione osservato risulta complessivamente estremamente significativo. Inoltre, sono stati analizzati con grande accuratezza tutti i possibili effetti sistematici e/o processi in concorrenza; nessuno in grado di spiegare l’ampiezza osservata della componente modulata e di soddisfare contemporaneamente tutti i requisiti della segnatura è stato trovato né suggerito da alcuno in più di un decennio. I risultati ottenuti da DAMA/NaI e DAMA/LIBRA soddisfano tutte le specifiche richieste della marcatura studiata e indicano quindi la presenza di particelle di materia oscura nella nostra Galassia con elevata significatività.

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Essi sono, inoltre, compatibili con un ampio insieme di scenari possibili sia sulla natura di tali particelle, sia sulle loro caratteristiche di interazione, sia sulla struttura dell’alone galattico. In particolare, sono state finora eseguite numerose interpretazioni dell’effetto osservato in termini di vari possibili candidati e scenari di fisica delle particelle, nucleare e di astrofisica; altre interpretazioni sono in corso e/o previste.

Va notato che nessun esperimento, il cui risultato possa essere confrontato in modo indipendente da modelli con quelli di DAMA/NaI e DAMA/LIBRA, è attualmente disponibile. Si ricorda anche che alcune misure eseguite in esperimenti di ricerca indiretta condotti su satellite, se interpretate in termini di annichilazione di particelle di materia oscura nell’alone galattico, danno risultati fortemente dipendenti dai modelli interpretativi che non sono in conflitto con quelli ottenuti da DAMA.

Inoltre, i risultati attualmente disponibili nell’ambito della ricerca diretta, ottenuti da altri esperimenti che utilizzano differenti nuclei bersaglio e differenti approcci, non danno nessun risultato in sostanziale conflitto con quello di DAMA.

Le proprietà caratteristiche e uniche di DAMA/LIBRA permetteranno, inoltre, di approfondire nel prossimo futuro gli studi sulle particelle candidate e sugli aspetti astrofisici, nucleari e delle particelle elementari correlati, di investigare ulteriori peculiarità del segnale e possibili effetti al secondo ordine. L’apparato DAMA/LIBRA ha permesso di ottenere anche risultati con altri approcci e studiando vari processi rari. L’esperimento è stato migliorato e attualmente e’ in corso la misura DAMA/LIBRA-fase2.

Riferimenti e approfondimenti

  1.  Il progetto DAMA, su people.roma2.infn.it.
  2. L’esperimento DAMA ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso, su lngs.infn.it.

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