Esperimento Padme, alla ricerca del fotone oscuro

Un sottilissimo bersaglio di diamante per catturare il fotone oscuro scovandolo tra 1 milione di collisioni di particelle al secondo

Un sottilissimo bersaglio di diamante per catturare il fotone oscuro scovandolo tra 1 milione di collisioni di particelle al secondo. È questo il cuore dell’esperimento PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) che studierà le interazioni prodotte da positroni accelerati all’energia di 550 MeV dall’acceleratore lineare (LINAC), dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, alla ricerca della materia oscura. Inaugurato oggi, giovedì 4 ottobre, con una cerimonia per festeggiare il passaggio dalla fase di test (commissioning) a quella di presa dati, l’esperimento PADME resterà in funzione per alcuni mesi, fino alla conclusione della prima fase di presa dati (Run 1). L’esperimento potrebbe svelare per la prima volta l’esistenza di una “nuova forza” a cui sarebbe associata una particella chiamata fotone oscuro, grazie a un apparato di misura piccolo, ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di antielettroni con gli elettroni del bersaglio.
L’esperimento PADME si basa su un’ipotesi avanzata da alcuni modelli teorici che prevedono l’esistenza di una quinta forza in grado di connettere la materia oscura con il nostro mondo e che andrebbe ad aggiungersi alle quattro forze fondamentali che conosciamo ovvero, gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. A questa nuova quinta forza, come per le altre quattro, sarebbe associata una particella messaggera, in questo caso un fotone “pesante”, dotato cioè di una piccola massa (al contrario del fotone ordinario che non ne possiede), che i fisici chiamano “fotone oscuro”.
“Il problema della materia oscura è certamente tra i più importanti della fisica moderna, e l’INFN è impegnato a fondo in tutti i grandi esperimenti, spesso con un ruolo di guida” commenta Fernando Ferroni, presidente dell’INFN. “È cruciale però anche verificare modelli teorici meno studiati, grazie a piccoli esperimenti dedicati, come PADME, che sfruttano la grande competenza dell’INFN nella tecnologia degli acceleratori” conclude Ferroni.
“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” sottolinea Mauro Raggi, spokesperson dell’esperimento, ricercatore INFN e Sapienza Università di Roma. “La possibilità che esistano nuove forze e nuove particelle sconosciute è sicuramente una frontiera molto affascinante e il team di PADME è molto orgoglioso di partecipare a questa impresa” chiude Raggi.
“PADME sfrutta un’infrastruttura 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” aggiunge Paolo Valente, co-spokesperson dell’esperimento, ricercatore INFN e Sapienza Università di Roma. “In futuro, inoltre, sarà possibile usare la BTF anche per applicazioni industriali, per esempio nel campo dello studio dei danni da irraggiamento” conclude Valente.
“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” dichiara Pierluigi Campana, direttore dei Laboratori Nazionali di Frascati.
PADME è una collaborazione internazionale che coinvolge ricercatori dell’istituto MTA Atomki di Debrecen, Ungheria, dove già sono stati svolti esperimenti sul fotone oscuro e dell’Università di Sofia, in Bulgaria che si è occupata dei rivelatori a barre scintillanti. Sono anche membri della collaborazione Cornell University, Iowa University e William and Mary College, degli Stati Uniti.
La sensibilità dell’esperimento potrebbe essere molto migliorata utilizzando un fascio di particelle di più alta energia, per esempio utilizzando i positroni accelerati ed estratti da un sincrotrone. Questa proposta viene studiata in collaborazione con i colleghi della Cornell University, anche grazie a un programma di scambio finanziato dal Ministero degli Esteri e della Cooperazione Internazionale.
PADME: COME FUNZIONA – L’esperimento funziona grazie a un apparato di misura piccolo, ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di elettroni e anti-elettroni, chiamati positroni. PADME è installato nella sala sperimentale della struttura di test (BTF) dell’acceleratore lineare dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN che accelera positroni “sparandoli” su un sottile bersaglio di diamante. Interagendo con gli elettroni atomici, i positroni potrebbero produrre i “fotoni oscuri” assieme a un fotone visibile. I dati sono ricevuti tramite fibre ottiche da una batteria di computer e analizzati nella sala di controllo dove i ricercatori monitorano l’esperimento.
I positroni che non interagiscono con il bersaglio vengono poi allontanati dai rivelatori tramite il campo magnetico sviluppato da un magnete in prestito dal CERN di Ginevra. I fotoni vengono invece rilevati dal calorimetro di PADME, che è composto da circa 600 cristalli scintillanti inorganici. Grazie alla precisione della misura di energia e posizione del fotone visibile è possibile ottenere informazioni sull’esistenza e sulla massa del fotone oscuro. L’esperimento è condotto da circa 40 fisici, in gran parte italiani, con una significativa presenza di colleghi dalla Bulgaria, dall’Ungheria e dagli Stati Uniti.
TECNOLOGIE DI ALTISSIMA PRECISIONE – Il bersaglio, il calorimetro e il monitor di fascio di PADME rappresentano il frutto di tecnologie innovative al cui sviluppo hanno sinergicamente cooperato partner industriali e del mondo della ricerca (ricercatori INFN e della struttura della materia).
Il sistema di vuoto è stato realizzato da una ditta italiana FANTINI SPA, che ha già collaborato con l’INFN per la realizzazione di esperimenti al CERN.
Il bersaglio di PADME è una membrana dello spessore di un decimo di millimetro di diamante artificiale policristallino e costituisce un dispositivo innovativo con funzione di rivelatore. È stato realizzato da partner industriali in cooperazione con i laboratori INFN della sezione di Lecce dove i campioni prodotti sono stati caratterizzati. A Lecce una stretta collaborazione dei ricercatori INFN con i fisici della materia del Laboratorio L3 del dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università del Salento ha, inoltre, consentito di sviluppare una nuova tecnica per la realizzazione degli elettrodi basata sull’irraggiamento con luce laser della superficie del diamante per produrre strisce di grafite conduttive.
Il calorimetro è un esempio di come tecnologie sviluppate nella ricerca di base abbiano poi importanti ricadute in svariati campi applicativi di grande impatto sociale. È costruito con un materiale (BGO) nato per la fisica delle particelle, che si è poi diffuso, grazie alle caratteristiche di granularità, alta efficienza e densità, nel campo della diagnostica medica, come ad esempio nella PET.
Il monitor di fascio è stato costruito grazie a una tecnologia a pixel di silicio chiamata TimePix, sviluppata al CERN, e in grado di fornire, con grande precisione, tempo e coordinate delle particelle in un unico rivelatore realizzato in collaborazione con un’azienda della Repubblica Ceca (ADVACAM) che sta lavorando ad applicazioni industriali di questa tecnologia.
Foto e Notizie: Ufficio Stampa INFN

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