Due sono i principali filoni di ricerca ai laboratori nazionali del Gran Sasso (Lngs) dell’Istituto nazionale di fisca nucleare, visitati oggi dal premier Matteo Renzi: la materia oscura e i neutrini. In particolare, gli obiettivi primari sono osservare in modo diretto particelle di materia oscura, e capire se aveva ragione Ettore Majorana sulla natura dei neutrini. In questi ambiti i Lngs sono al top della ricerca e detengono la leadership a livello mondiale.
I NEUTRINI. Sono molto abbondanti ma privi di carica e interagiscono pochissimo con la materia. Studiarli è quindi difficile così conosciamo ancora poco sulla loro natura. Sono particelle dotate di massa, ma piccolissima, quasi nulla. Abbiamo scoperto che ne esistono tre tipi: elettronico, muonico, e del tau, associati rispettivamente all’emissione di un elettrone, di un muone e di una particella tau nei decadimenti deboli. E sappiamo anche che i neutrini possono trasformarsi da un tipo in un altro. Comprendere a fondo questo processo, chiamato “oscillazione”, ci consentirebbe di ricavare informazioni sul valore della loro massa dei neutrini e sulla loro natura. Inoltre, non sappiamo se materia e antimateria nel caso dei neutrini coincidano. Per cercare di scoprirlo studiamo un evento raro: il “doppio decadimento beta senza neutrini”. Se si riuscisse a rivelare questo processo, allora potremmo concludere che il neutrino è una particella di Majorana e in questo caso, come ipotizzato dal grande fisico, neutrino e antineutrino coinciderebbero.
LA MATERIA OSCURA. Noi conosciamo solo circa il 5% di ciò che compone il nostro universo. Dell’altro 95% non sappiamo praticamente nulla. Però ipotizziamo che la materia ordinaria, quella che noi conosciamo e di cui siamo fatti, sia cinque volte meno abbondante rispetto a un altro tipo di materia: la materia oscura, che chiamiamo così perché, oltre a non conoscerne la natura, non emette radiazione e quindi non riusciamo a vederla né coi nostri occhi né coi nostri strumenti (la restante parte dell’universo, circa il 70%, dovrebbe poi essere costituito da energia oscura). Sappiamo dell’esistenza del lato oscuro del nostro universo in modo indiretto, per gli effetti gravitazionali che esso esercita sulla materia ordinaria. Ora stiamo cercando di trovare una prova diretta della sua esistenza, cercando di rivelare la sua interazione con la materia ordinaria. Secondo le teorie più accreditate, le particelle di materia oscura sono molto massive ma poco interagenti con la materia ordinaria. Per questa ragione è necessario costruire grandi esperimenti e in ambienti protetti dal rumore di fondo, come i laboratori nazionali del Gran Sasso.
Scienza, gli esperimenti al Gran Sasso sulla materia oscura
Sono diversi gli esperimenti condotti ai laboratori dell’Istituto nazionale di fisica nucleare del Gran Sasso – visitati oggi dal premier Matteo Renzi – per lo studio della materia oscura. Di seguito sono esposti uno per uno.
DARKSIDE. Il materiale attivo su cui si basa l’apparato è Argon liquido alla temperatura di -189 °C, che costituisce il bersaglio per l’interazione delle ipotetiche WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), ad oggi i più probabili candidati come particelle costituenti la materia oscura. Una caratteristica unica di DarkSide-50 è il suo veto per neutroni a scintillatore liquido, in altre parole lo schermo che serve a bloccare queste particelle impedendo loro di raggiungere il cuore dell’esperimento e di inquinare così i segnali
XENON1T. È un rivelatore a due fasi (liquido e gas) che misura contemporaneamente la scintillazione e la ionizzazione prodotta dall’interazione delle particelle con lo xenon contenuto nell’apparato. Il rapporto fra i due segnali prodotti dall’interazione permette di distinguere evento per evento se si tratta dell’interazione di una particella di materia ordinaria, come per esempio un fotone gamma, che rientra negli eventi del rumore di fondo, oppure se a interagire è stata una particella esotica di materia oscura.
DAMA/LIBRA. Indaga processi rari, in particolare, il suo principale scopo è la rivelazione diretta della presenza di particelle di materia oscura. Il suo apparato più importante è composto da 25 cristalli scintillatori di ioduro di sodio radiopuri, cioè ripuliti dalla maggior parte dei materiali radioattivi.
CRESST. Cerca di rivelare in modo diretto la materia oscura, misurando i prodotti dell’interazione delle possibili particelle candidate di materia oscura con quelle di materia ordinaria. Il cuore è costituito da un calorimetro criogenico dotato di cristalli scintillanti.
Scienza, gli esperimenti al Gran Sasso per lo studio dei neutrini
Sono diversi gli esperimenti condotti ai laboratori dell’Istituto nazionale di fisica nucleare del Gran Sasso – visitati oggi dal premier Matteo Renzi – per lo studio dei neutrini. Di seguito sono esposti uno per uno.
BOREXINO. Studia i neutrini di bassa energia che arrivano sia dal Sole, sia dal centro della Terra. I primi possono fornirci importanti informazioni sulle reazioni che avvengono nella nostra stella, i secondi sulla struttura interna del nostro pianeta. Borexino è costituito da sfere concentriche, che contengono liquido scintillatore e fotomoltiplicatori, che raccolgono il bagliore emesso dai neutrini quando interagiscono con il liquido scintillatore.
CUORE. Studia fenomeni rari come il decadimento doppio beta senza neutrini. È composto da bolometri, cioè da dispositivi che misurano la radiazione elettromagnetica totale, in tutte le lunghezze d’onda. Per preservare il rivelatore dal rumore di fondo, l’esperimento è stato dotato di uno “scudo” realizzato con piombo risalente antico recuperato da una nave romana affondata al largo della Sardegna 2000 anni fa.
GERDA. Studia il decadimento doppio beta senza neutrini per mezzo di un apparato di rivelatori di germanio immersi nell’argon liquido. Questi sono contenuti in una pseudo-sfera di 2 metri di diametro, collocata all’interno di un contenitore riempito di acqua. L’argon liquido agisce sia come liquido raffreddante, sia come schermatura dalla radioattività naturale Icarus. Nasce da un’idea del premio Nobel per la fisica, Carlo Rubbia e rappresenta concettualmente l’evoluzione delle camere a bolle. È un rivelatore a fili immerso in 600 tonnellate di argon liquido che permette di visualizzare in 3D il passaggio delle particelle, registrandole elettronicamente con grande precisione. Nel suo genere è il più grande rivelatore mai realizzato. Terminata la sua attività ai LNGS, è stato di recente portato al CERN per una nuova messa a punto e sarà prossimamente trasportato negli Stati Uniti, al Fermilab, dove costituirà una parte di un nuovo complesso di rivelatori per esperimenti con i neutrini con fascio artificiale prodotto con acceleratori.
LVD. È un progetto coordinato da Antonino Zichichi per lo studio dei neutrini emessi al momento di un collasso gravitazionale di una grande stella nella nostra galassia. Un improvviso fiotto di neutrini di bassa energia accompagna infatti gli ultimi istanti di vita delle stelle prima del loro spegnimento.
OPERA. Era costituito da 150 mila mattoncini, composti da strati di piombo alternati a emulsioni fotografiche. Il suo scopo, portato a termine con successo, era verificare in modo diretto il fenomeno dell’oscillazione del neutrino, in particolare la trasformazione del neutrino da muonico a tau. Nell’ambito dell’esperimento CNGS (CERN Neutrino sto Gran Sasso) utilizzava un fascio di neutrini artificiale prodotto al CERN che arrivava, dopo aver percorso 730 km attraverso la crosta terrestre, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso.
