Xenon fa luce sui misteri della materia oscura dai Laboratori Nazionali Gran Sasso

“Noi non cerchiamo quello che Iddio poteva fare, ma quello che Egli ha fatto”(Galileo Galilei, Opere VII, 565). L’esperimento Xenon100 scriverà dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Infn) una nuova pagina della fisica e della cosmologia. Non stiamo parlando né delle sfavillanti luci che con la loro emissione simile a quella diurna, forniscono il triplo della luce rispetto alle convenzionali lampade alogene, né del famoso processore CPU. Ma dell’elemento chimico Xenon che sotto il Gran Sasso è il cuore di un esperimento avveniristico per la ricerca dell’elusiva Materia Oscura, al centro della cronaca scientifica mondiale. Se gli scienziati italiani vinceranno la concorrenza, potranno non solo rivoluzionare la nostra percezione della realtà cosmica, ma illuminare a giorno i misteri dell’elusiva materia oscura, squarciando finalmente il velo di tenebra che avvolge tutte le teorie finora proposte per spiegare il deficit di energia gravitazionale delle galassie e, quindi, la famosa Costante cosmologica di Einstein oggi chiamata “energia del vuoto” ovvero oscura. Lo xenon è un gas nobile, inodore, incolore e molto pesante: sta rivoluzionando non solo la propulsione ionica nello spazio ma soprattutto le ricerche scientifiche più ardite inaugurate dai ricercatori Infn del Gran Sasso, grazie all’esperimento Xenon100, attivo sotto il monte Aquila e concepito per la ricerca di elusive particelle massive debolmente interagenti, meglio note come le famose WIMP. La prova del fuoco è stata fornita dal bagno di 62 kg di xenon liquido in cui è immerso lo speciale rivelatore. Nella pubblicazione scientifica presentata in questi primi giorni di maggio 2010 dalla collaborazione internazionale di scienziati (E. Aprile, K. Arisaka, F. Arneodo, A. Askin, L. Baudis, A. Behrens, E. Brown, J. M. R. Cardoso, B. Choi, D. B. Cline, S. Fattori, A. D. Ferella, K.L.Giboni, K. Hugenberg, A. Kish, C. W. Lam, J. Lamblin, R. F. Lang, K. E. Lim, J. A. M. Lopes, T. Marrodán Undagoitia, Y. Mei, A. J. Melgarejo Fernandez, K. Ni, U. Oberlack, S. E. A. Orrigo, E. Pantic, G. Plante, A. C. C. Ribeiro, R. Santorelli, J. M. F. dos Santos, M. Schumann, P. Shagin, A. Teymourian, D. Thers, E. Tziaferi, H. Wang, C. Weinheimer) di varie Università (Columbia University-Usa, Rice University-Usa, Università di Zurigo, Laboratorio Nazionale del Gran Sasso-Italia, Università di Coimbra-Portogallo, Università della California a Los Angeles-Ucla) sulla Physical Review Letters vengono illustrati i primi risultati di un campione di dati parziali acquisiti tra ottobre e novembre 2009, in appena 11 giorni! I fisici americani della concorrenza digrignano i denti. Con un livello di confidenza del 90%, è vero che Xenon100 non ha stato osservato alcun segnale di materia oscura. Ma la notizia è un’altra. L’interpretazione la lasciamo chiaramente ai cosmologi perché le implicazioni, se la prova dovesse essere confermata da altri esperimenti, vanno ben oltre la contestazione di precedenti risultati sperimentali condotti sempre sotto il Gran Sasso da altri scienziati italiani. E’ la stessa visione della forza di gravitazione universale illustrata nella Teoria Generale della Relatività di Einstein, a dover essere riconsiderata? Per alcuni non sarebbe un dramma rinunciare per sempre alla materia ed all’energia oscure per ridisegnare ciò che oggi semplicemente non riusciamo a capire e percepire dell’Universo in cui viviamo e nel quale un giorno viaggeremo. Altre esperienze come CoGeNT e DAMA avevano visto qualcosa: forse altre tracce di materia oscura? L’esperimento Xenon100 è solo uno di una manciata di iniziative volte a scoprire direttamente la natura di altre forme di materia, sostanze ritenute abbondanti nell’Universo. La prova astronomica indica che circa il 24% dell’Universo è costituito da materia “non-barionica”, ossia oscura. Diverse linee teoriche indicano che la materia oscura è costituita da particelle massive debolmente interagenti (Wimp), cimeli esotici del Big Bang che esistono fino ad oggi a causa della loro presunta “debole” interazione con la materia ordinaria. Un candidato per le Wimp è il Neutralino, la più leggera particella predetta dalla Teoria della Supersimmetria (SUSY). Comprendere la natura della materia oscura è una delle più importanti questioni aperte in cosmologia, astrofisica e nella fisica delle particelle: il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso è in prima linea. Invisibile ai nostri telescopi più potenti, gli astronomi possono solo rilevare gli effetti gravitazionali che la materia oscura produce sulla materia normale (noi, i gas e le stelle), ma non hanno ancora confermato una misura diretta. Alcuni team avevano riferito di averla “vista”, ma oggi i nuovi risultati della prova Xenon100, ritenuta oggi molto più sensibile rispetto a tutti i precedenti esperimenti sotto il Gran Sasso ed altrove, suggeriscono che i possibili segnali di materia oscura non c’erano e non ci sono mai stati perché bisogna fare altre domande al Creatore. Se fosse vero, nella migliore delle ipotesi, dovremmo riconsiderare le reali proprietà della materia oscura, per concepire altri esperimenti in grado di rivelarla. “Le particelle di materia oscura per ora continuano a sfuggire ai nostri rivelatori – fa notare Elena Aprile, portavoce dell’esperimento Xenon100 e un professore di fisica alla Columbia University – ma siamo sempre più convinti di riuscire presto a svelare il mistero”. Xenon100 è un contenitore in acciaio inox riempito con xenon ultra-puro allo stato liquido e gassoso, incastonato tra due telecamere 3D molto sensibili. Se una particella di materia oscura dovesse colpire il rivelatore, le telecamere dovrebbero registrare il segnale in tre dimensioni, un po’ come il grande regista James Cameron ha fatto in Avatar filmando il pianeta Pandora su Alpha Centauri. L’esperienza Xenon100 è incastonata sotto i 1.400 metri di roccia del massiccio del Gran Sasso d’Italia, nei famosi Laboratori Nazionali Infn, in condizioni di “silenzio cosmico”. Proprietà unica al mondo per un laboratorio sotterraneo di fisica sub-nucleare, autentico patrimonio culturale dell’umanità. Contenuto all’interno di una camera di piombo e rame, l’apparato, insieme con la roccia, è schermato opportunamente per filtrare le rumorose radiazioni cosmiche di superficie, provenienti dallo spazio e dal sottosuolo che impedirebbero di rivelare la materia oscura. I ricercatori usano lo xenon (in forma liquida e gassosa) perché è uno degli elementi più pesanti in natura: è tre volte più denso dell’acqua, ha molti più atomi per litro e ciò massimizza la probabilità che una particella di materia oscura possa scontrarsi con lo xenon e produrre un segnale. Uno dei candidati più importanti per smascherare l’identità segreta della materia oscura, è una particella debolmente interagente, chiamata Wimp. L’esperimento è in esecuzione in diverse fasi con rivelatori di massa diversi. Dopo il grande successo di Xenon10, ora Xenon100 con i suoi 170 kg di xenon liquido e 70 kg nel volume di destinazione, intende tracciare la via verso prove ancora più ambiziose. I risultati pubblicati sono ancora parziali perché riferiti a un piccolo target bersaglio. “Lo xenon liquido è un materiale prezioso e meraviglioso per catturare e studiare le Wimp” – spiega la prof.ssa Aprile. Nel 1997 l’esperimento DAMA-LIBRA del gruppo di ricerca dell’Università di Roma Tor Vergata, fu il primo al mondo a rivendicare con forza il primato della scoperta di tracce di materia oscura sotto il Gran Sasso. Lo scorso febbraio, la collaborazione CoGeNT condotta dall’Università di Chicago aveva annunciato di aver trovato un segnale indicativo di materia oscura. Tuttavia, le osservazioni di Xenon100 mettono in dubbio entrambi i risultati, secondo i ricercatori del progetto. La notizia ha fatto il giro del mondo il Primo Maggio 2010 dal “workshop” introduttivo e prodromico alla pubblicazione sulla Physical Review Letters. Ma ripassiamo la lezione. Gli scienziati sono da anni a caccia di materia oscura che si pensa possa essere nascosta non solo nelle profondità del Cosmo ma anche sotto i nostri occhi, anzi, sotto i nostri piedi, qui sulla Terra. La materia oscura è particolarmente ostica da trovare a causa della sua natura ignota. In effetti, gli scienziati non sanno cosa sia. Non emette né riflette luce, così i telescopi più potenti non hanno alcuna speranza di poterla osservare direttamente. Un vero rompicapo: fin dal 1970 sulla base delle osservazioni degli effetti della gravità su grande scala, come ad esempio tra le galassie, gli scienziati hanno avanzato l’ipotesi che la materia normale da sola non può spiegare la quantità di gravità necessaria per generare e reggere interi sistemi stellari. Un lavoro immenso. Un deficit rivelatore di materia oscura qualunque cosa essa sia. Dunque va assolutamente scoperta. Come? Facendo esperimenti pioneristici come quelli sotto il Gran Sasso. E se la materia oscura non interagisce con la maggior parte della materia normale, l’idea che possa svolazzare indisturbata, a destra ed a manca, attraverso la Terra, la vostra casa e il vostro corpo senza rimbalzare tra gli atomi, semplicemente attraversandoli, rimane suggestiva e intrigante. Per questo alcuni scienziati preferiscono scovarla in caverne sotterranee come il Gran Sasso, al riparo dai rumori di fondo delle altre particelle normali. Prima o poi l’interazione o il collegamento verrà stabilito. Pare solo questione di tempo, per stessa ammissione di Angela Reisseter dell’Università del Minnesota, membro di un progetto chiamato “Dark Matter Search”. La recente riunione dell’American Physical Society a Washington DC ha riacceso le speranze d’oltre oceano. In un recente numero della rivista “Science Express”, Reisseter e colleghi hanno riportato evidenze di due possibili eventi che forse possono essere interpretati come impatti di materia oscura sui loro rivelatori. Anche il loro esperimento CDMS è sepolto sotto una montagna, precisamente in una miniera del Minnesota sotto circa 700 metri di roccia, plastica, piombo, rame ed altri materiali destinati a schermare tutte le altre particelle rumorose, consentendo solo alla materia oscura (dicono) di raggiungere il rivelatore criogenico composto da piccoli blocchi-bersaglio di germanio e silicio. Tuttavia i ricercatori non sono assolutamente sicuri che i due segnali misurati possano essere frutto dell’interazione tra materia oscura e normale. Magari di qualche altra particella del “background”. Due segnali sono sempre troppo pochi per essere sicuri di aver fatto centro. L’umiltà della scienza mette nel conto e nei calcoli che si possano verificare anche eventi falsi. Vale la regola generale. Se fosse uno, i ricercatori direbbero:“Oh, è lo sfondo”; se fossero tre eventi, comincerebbero a dire:“Oh, è un segnale”. Ma ciò che non possono chiamare “sfondo” né “segnale”, che cos’è? Una semplice fluttuazione statistica, secondo il fisico Richard Gaitskell. Il team CDMS intende mantenere attivo il loro esperimento a livelli sempre più sensibili, nella speranza si scoprire un segnale più consistente. La stessa cosa accadrà, si spera, sotto il Gran Sasso con tutti gli esperimenti sulla materia oscura. Altri tentativi per rintracciare queste elusive particelle sulla Terra si concentrano su potenti acceleratori (come Lhc al Cern di Ginevra) in grado di proiettare la materia ordinaria fin quasi alla velocità della luce per poi schiacciare insieme le particelle subatomiche sperando che le energie di collisione incredibilmente alte (prossime a quelle del Big Bang!) possano svelare-creare altre particelle esotiche, tra cui la materia oscura. Senza rischi per l’ambiente e la nostra sopravvivenza. Dunque, senza produrre buchi neri. Ma anche con i nostri acceleratori più potenti, finora, nessun segno di materia oscura è stato individuato. Sarebbe ben strano, tuttavia, se le particelle che compongono la maggior parte della materia dell’Universo, non rivelassero la loro natura negli acceleratori e nei laboratori sotterranei. Una ragione potrebbe essere questa: semplicemente non hanno concepito esperimenti abbastanza potenti in grado di rivelare la presenza di materia ed energia oscure. Anche perché gli scienziati non hanno la benché minima idea di che cosa siano fatte le particelle di materia oscura: potrebbero semplicemente non esistere (ed allora, bisognerebbe riscrivere i testi di Fisica e Matematica) o richiedere energie talmente elevate per ricrearle in laboratorio, da risultare insondabili. Evidentemente gli scienziati non hanno ancora posto la domanda giusta al Creatore, ossia non hanno inventato l’esperimento adatto. Il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso che nel silenzio cosmico del Re degli Appennini, è molto più potente di Lhc, svelerà il mistero? Per alcuni scienziati la migliore speranza resta il Large Hadron Collider (Lhc) del Cern, costruito sotto la città svizzera di Ginevra: il più grande telescopio materia-antimateria in funzione sulla Terra. Ha aperto da poco i “giochi” con le sue più alte energie mai raggiunte dall’uomo e non è ancora alla velocità di crociera! A piena energia, in molti sperano che possa scoprire non solo la Particella di Higgs che dà massa a tutte le altre, ma anche la materia oscura. Non sarà facile inchiodarla. Le collisioni di particelle elementari sotto Ginevra potrebbero svelare anche ciò che finora è semplicemente inconcepibile. E torniamo all’esperimento Xenon100 che dal Gran Sasso ha avuto vasta eco sulle riviste scientifiche americane. Ha cercato un segnale di materia oscura nelle profondità del più grande laboratorio sotterraneo al mondo. Ma nessuna interazione in 11 giorni di funzionamento della macchina, è stata rivelata. Che cosa significa?

Il team di ricerca ha pubblicato coraggiosamente le sue conclusioni sul sito: arXiv.org. La prova supporta la nozione che gli atomi e le molecole ordinarie rappresentino solo una frazione delle masse che interagiscono gravitazionalmente nell’Universo. L’individuazione diretta di particelle di materia oscura si è rivela elusiva. Davvero sono in errore i ricercatori che per anni hanno affermato di aver identificato la materia oscura da fluttuazioni annuali indotte dal movimento della Terra che si muove, nella sua orbita attorno al Sole, presumibilmente attraverso l’alone di particelle di materia oscura che avvolgono la Via Lattea? Alcuni pensano che con la sua alta sensibilità Xenon100 avrebbe dovuto già osservare qualcosa se l’interpretazione dei dati offerti da DAMA fosse corretta. Tuttavia, polemiche permettendo, la ricerca è anche concorrenza spietata tra gruppi di ricerca. Così procede la scienza. Il fisico Richard Gaitskell della Brown University che lavora sul grande esperimento criogenico LUX, il rivelatore di materia oscura (Large Underground Xenon) che gli americani intendono installare nel loro laboratorio sotterraneo in South Dakota il prossimo anno, sostiene che i risultati di DAMA non sarebbero stati confermati da altre ricerche. Forti critiche sono state espresse anche dal fisico Peter Fisher del Massachusetts Institute of Technology, in particolare sulla collaborazione scientifica di DAMA. Ma tutto è opinabile quando sono in gioco forti interessi. Una cosa è certa. I fisici italiani dovrebbero fare quadrato insieme ai loro colleghi che lavorano sotto il Gran Sasso, perché il Premio Nobel si avvicina! La caccia alla materia oscura è ancora aperta e, come molti ricercatori e scienziati hanno previsto, la persona che scopre la materia oscura ottiene un biglietto di prima classe per Stoccolma dove vengono assegnati i premi Nobel.

Se i dati dell’esperimento Xenon100 sono di buon auspicio per la nascita di nuova generazione di rivelatori di grandi dimensioni, non bisogna aspettare certo la concorrenza. Gli americani ci temono fortemente, quindi bisogna premere ora sull’acceleratore e la classe politica italiana non ha più scuse di sorta. I fisici americani sanno che in soli 11 giorni di presa di dati, gli italiani sono stati in grado sotto il Gran Sasso di eguagliare la sensibilità del loro esperimento CDMS che aveva bisogno di una sensibilità superiore, ossia 12 mesi di presa di dati per eguagliare la stessa sensibilità nella ricerca di materia oscura materia. A tutti come suona il confronto tra i due continenti? Il più grande rivelatore LUX raggiungerà negli Usa la stessa sensibilità in meno di 36 ore!

Diverse osservazioni astronomiche hanno registrato una convergenza su un modello di universo che è composto da 4% di materia ordinaria, il 72% di energia oscura e materia oscura il 24%. Sulla base delle osservazioni della rotazione delle galassie, alcuni ricercatori credono che le Wimp possano esistere in una distribuzione sferica, simmetrica nella galassia, che formano una nube di materia oscura attraverso la quale il Sistema Solare e la Terra, si muovono. A volte un Wimp incontrerebbe una collisione con i nuclei degli atomi di un rivelatore sulla Terra mentre sta attraversando il vento cosmico di materia oscura. Questo porterebbe a un segnale rilevabile. Vari esperimenti di rivelazione diretta in tutto il mondo adottano questo principio per cercare le particelle di materia oscura. Xenon100 è uno di loro. Se le Wimp esistono, devono avere una probabilità molto piccola d’interazione con la materia normale altrimenti sarebbero state già individuate. L’interazione tra un Wimp e un nucleo di un atomo-rivelatore, produce contraccolpi di energie piuttosto piccole. L’energia di rinculo e con essa delle Wimp che hanno depositato l’energia, possono essere misurate attraverso lo studio della luce di scintillazione o il segnale di ionizzazione prodotto nel medio rivelatore o misurando la quantità molto piccola di calore depositato nel rivelatore. L’esperimento utilizza xenon liquido come mezzo rivelatore. Il gas nobile xenon diventa liquido ad una temperatura di 100 ° C e una pressione di circa 2 bar. La densità elevata (circa 3 g/cm3) e l’alto numero atomico (131) permette di costruire rivelatori compatti. La misurazione simultanea di segnali di ionizzazione e scintillazione prodotta dalle interazioni delle particelle di xenon liquido permette di discriminare le particelle Wimp dai segnali di fondo. Attualmente si utilizzano più di 100 kg di xenon liquido, circa 10 volte più grande del suo predecessore. Questo rilevatore è stato installato ai Lngs-Infn tra il 2005 e il 2007, producendo alcuni dei risultati migliori al mondo. L’obiettivo finale della collaborazione è quello di costruire XENON XENON1T, un rilevatore di xenon liquido sulla grande scala.

Il Laboratorio del Gran Sasso è il più grande del mondo con un mix vincente di 800 ricercatori di 24 Paesi; se, come è vero, il super acceleratore Lhc del Cern di Ginevra è la punta di diamante della ricerca subnucleare mondiale, il laboratorio Infn di fisica astroparticellare di L’Aquila è uno scrigno di tesori che si apre alla società, all’impresa, all’università, al territorio. Con inevitabili ricadute tecnologiche e un sano “spin off” per la nascita in Abruzzo di imprese ad alta tecnologia in grado di dialogare, collaborare e lavorare con l’Infn. Dunque, non solo grandi esperimenti di fisica subnucleare, come Icarus, sotto il Gran Sasso, ma anche una finestra aperta ai cittadini, con progetti europei e regionali di “e-learning”, aggiornamento costante dei lavoratori, degli imprenditori, degli insegnanti e degli studenti di ogni ordine e grado. Non c’è solo l’esperimento neutrinico Borexino, per l’ascolto in diretta del cuore del Sole, ma anche la produzione di cristalli purissimi che, nella fantascienza, farebbero invidia agli sceneggiatori di Star Trek per il funzionamento del “motore di curvatura”. Al Gran Sasso, invece, servono a fare scienza, ossia a rivelare tracce di materia oscura e del decadimento naturale di particelle elementari in arrivo dallo spazio. Tecnologie avanzatissime, meccanica di precisione, software d’avanguardia con computer potentissimi, diagnostica per immagini che attendono le inevitabili applicazioni in campo medico. Qui la ricerca di base dialoga con i cittadini in maniera sistematica e duratura. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare è in prima linea nella fornitura di alta tecnologia alle imprese, soprattutto del nord Italia, ma in maniera significativa anche al Sud. Anche per misurazioni della radioattività naturale nei siti di stoccaggio dei rifiuti, in tempo reale. E’ per importante la crescita del territorio, per l’impatto costruttivo sulla società, sulle aziende, grazie all’interazione con le imprese. Un circolo virtuoso già all’opera in Abruzzo. Non sono scienziati bizzarri alle prese con l’impossibile. Ma ricercatori che studiano la Natura in regime di silenzio cosmico. Come dichiarato dal fondatore dei Laboratori del Gran Sasso, il professor Antonino Zichichi. I dati parlano chiaro. Perché si creino aziende e l’impatto macroeconomico diventi significativo per la creazione di ricchezza, lavoro, poli di eccellenza e di enormi potenzialità, come accade negli Usa con la Princeton University e con le aziende affamate ed appassionate di formazione via internet. Utilizzare le strutture del Laboratorio del Gran Sasso per formare lavoratori, studenti diplomati e laureati, e insegnanti, è una solida realtà. L’Open Day del 30 maggio 2010, che coinvolge ogni anno tutti, anche le scuole materne ed elementari d’Abruzzo, ce lo ricorda. Teramo risponde davvero alla chiamata dell’Infn? L’ultima frontiera al Gran Sasso è la scoperta dell’origine della materia oscura nell’Universo in cui viviamo. La Politica faccia la sua parte accanto ai nostri ricercatori.

Nicola Facciolini