Materia Oscura: Ricerca di “masse leggere” con l’esperimento CRESST ai Laboratori del Gran Sasso

Pianeti, stelle e galassie costituiscono solo la parte visibile della materia dell’Universo. Una frazione ben maggiore di materia è costituita dall’invisibile “materia oscura”. Gli scienziati stanno cercando le particelle che costituiscono la materia oscura con molti esperimenti, senza essere riusciti fino ad oggi a chiarirne in maniera definitiva il mistero.

Con l’esperimento CRESST il raggio di esplorazione si è considerevolmente allargato: i rivelatori di CRESST sono stati migliorati e sono ora in grado di osservare particelle la cui massa sia ben più leggera di quelle osservabili nelle attuali misure, aumentando la possibilità di osservare la materia oscura.

I modelli teorici e le osservazioni astrofisiche non lasciano molto spazio a dubbi sull’esistenza della materia oscura: essa è cinque volte più abbondante della materia visibile.

"Fino ad oggi il candidato considerato più probabile per la materia oscura era ritenuto essere una particella pesante, la cosiddetta WIMP” spiega Federica Petricca, ricercatrice del Max Planck Institute for Physics di Monaco di Baviera e responsabile internazionale dell’esperimento CRESST. “Per questo la maggior parte degli esperimenti attualmente in misura esplorano una zona di masse comprese 10 e 1000 GeV/c2 (gigaelectronvolt/velocità della luce2)”.

Misura record per particelle di materia oscura leggere

Di recente sono stati sviluppati nuovi modelli teorici per superare alcuni problemi irrisolti, come la differenza tra lo spettro di materia oscura simulato e osservato nelle galassie. Molti di questi modelli indicano che la massa delle particelle di materia oscura potrebbe essere più leggera delle tradizionali WIMP.

L’esperimento CRESST ha compiuto un passo fondamentale per arrivare a tracciare queste particelle a “massa leggera”. In una misura durata parecchi mesi con un singolo rivelatore è stato possibile raggiungere una soglia in energia di 307 eV. “Con una tale soglia, questo rivelatore è ideale per particelle con massa compresa tra 0.5 e 4 GeV/c2, migliorando la sensibilità di oltre 100 volte rispetto alle precedenti misure,” spiega Paolo Gorla dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, responsabile italiano del progetto. “Ora possiamo rivelare particelle considerevolmente più leggere di una WIMP.”

Nuovo design per i rivelatori di CRESST

Il nuovo ciclo di misure di CRESST comincerà alla fine del 2015 e andrà avanti per uno o due anni. Sulla base delle indicazioni fornite dall’attuale misura, i ricercatori doteranno l’esperimento di nuovi rivelatori.

“Da un lato i nuovi rivelatori renderanno la misura più precisa, dall’altro ci consentiranno di esplorare una nuova regione di massa: sarà quindi possibile osservare la materia oscura anche se le sue particelle sono più leggere di 0,5 GeV/c2. Potrebbe essere l’occasione di scoprire di che cosa è costituita la materia oscura.” auspica Federica Petricca.

Setup sperimentale

Il cuore dei rivelatori di CRESST è costituito da un cristallo di tungstato di calcio. Quando una particella colpisce un atomo di uno dei tre elementi che costituiscono questo cristallo (ossigeno, calcio e tungsteno), il rivelatore misura simultaneamente l’energia della particella interagente e il segnale di luce prodotto nella collisione, che fornisce informazioni sulla natura della particella stessa.

Per poter misurare emissioni di energia e luce estremamente piccole, i rivelatori sono raffreddati vicino allo zero assoluto (-273.15 gradi °C). Per eliminare interazioni dovute ad altri tipi di radiazione, che disturberebbero la misura di materia oscura, gli scienziati di CRESST utilizzano materiali con bassissime contaminazioni intrinseche. Inoltre l’esperimento è istallato nel più grande laboratorio sotterraneo al mondo, i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, ed è dunque fortemente schermato dai raggi cosmici.

Cosa c’è di nuovo:

• CRESST lavorerà in futuro con rivelatori più piccoli e cristalli più puliti rispetto a quelli attualmente disponibili sul mercato. Riducendo le dimensioni dei cristalli sarà possibile ottenere una soglia in energia ancora più bassa. Questi cristalli sono cresciuti presso la Technische Universität di Monaco e sono caratterizzati da un fondo intrinseco estremamente basso, consentendo misure più sensibili.
• I supporti in bronzo che originariamente reggevano i rivelatori sono stati rimpiazzati con tungstato di calcio. In questo modo sarà possibile ridurre considerevolmente gli eventi indesiderati prodotti da contaminanti radioattivi nel bronzo.
• La precisione dei rivelatori di luce è stata ottimizzata, consentendo di distinguere più efficacemente le interazioni di materia oscura da quelle prodotte da particelle già note.

La collaborazione CRESST (http://www.cresst.de/people.php) include il Max Planck Institute for Physics, l’Università Oxford, la Technische Universität di Monaco, l’Università di Tübingen, l’Institute of High Energy Physics in Vienna, l’Università di Vienna e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’ Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Pubblicazione:
E’ possibile trovare l’articolo con i nuovi risultati di CRESST sulla materia oscura leggera qui:
http://arxiv.org/abs/1509.01515

Informazioni:

• Website of the CRESST experiment: http://www.cresst.de/
• The CRESST experiment at the Max Planck Institute for Physics: https://www.mpp.mpg.de/english/research/experimental/cresst/index.html
• Video sull’esperimento CRESST: http://www.cresst.de/files/CRESST_Italian_SD.mov



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