La Materia Oscura
Diverse evidenze su scala astronomica e cosmologica suggeriscono che circa il 27 % dell'Universo (nel dettaglio, circa l' 85 % di tutta la materia esistente) è costituita da materia che non emette luce, ovvero materia che non può essere associata con quella ordinaria di cui abbiamo esperienza tutti i giorni, costituita da protoni, neutroni ed elettroni. Tra le varie ipotesi, i modelli più accreditati individuano come costituenti della Materia Oscura le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle massive che interagiscono debolmente e non ancora rivelate. Le WIMP si dovrebbero essere formate nell''universo primordiale e successivamente raggruppate gravitazionalmente formando degli ammassi insieme alla materia barionica (i.e. galassie, ammassi di galassie). Il movimento di questo alone di WIMP onnipresente nella galassia relativo ad un eventuale rivelatore sulla terra potrebbe quindi avere come conseguenza una collisione elastica WIMP-nucleo, ovvero un rinculo nucleare rivelabile da un rivelatore a basso rumore (dato il basso rate di collisioni) e soglia (data la bassa energia di rinculo dei nuclei da rivelare, <100 keV). Lo scopo dell'esperimento DarkSide è di rivelare la Materia Oscura in maniera diretta.
Il principio di funzionamento
Il principio di funzionamento di rivelazione dell'esperimento DarkSide è basato sull'Argon liquido purificato dall'isotopo 39Ar, che è usato col duplice scopo di bersaglio e rivelatore. Nello specifico la teconlogia scelta è stata una camera a proiezione temporale (TPC) a doppia fase (argon liquido e gassoso), capace di identificare in modo univoco, con un ampia esposizione,un piccolo numero di rinculi nucleari.
Nel video sottostante è spiegato il principio di funzionamento di una TPC a doppia fase. Il rinculo del nucleo di Argon, a seguito dell'interazione con una WIMP, eccita e ionizza gli atomi di argon; gli atomi eccitati creano una luce (diretta) di scintillazione, S1, che è rivelata dai fotosensori collocati sulla parte superiore ed inferiore della TPC. Gli elettroni derivati dalla ionizzazione invece sono trasportati immediatamente (per ridurre la ricombinazione con gli ioni positivi, anch'essi creati nella ionizzazione) verso la parte superiore della TPC grazie al campo elettrico derivante dal potenziale applicato; sulla parte superiore della TPC un campo elettrico nettamente maggiore estrae gli elettroni nello strato di argon gassoso al di sopra del liquido e gli accelera tanto da dare luogo ad una seconda luce di scintillazione (elettroluminescenza) S2, proporzionale alla carica di ionizzazione. S2 è quindi rilevato dai fotosensori collocati sulla superficie sueriore ed inferiore (nel video non mostrato per semplicità). In questa maniera si può avere una ricostruzione 3D dell'evento: le coordinate orizzontali sono misurate dalla distribuzione di S2 sui fotosensori sulla cima mentre la coordinata verticale dal tempo di deriva corrispondente al tempo intercorso tra S1 ed S2.
Vista la natura della luce di scintillazione dell'Argon (lunghezza d'onda nell'ultravioletto, ~ 128 nm), tutte le superfici della TPC devono essere ricoperte da un materiale che sposti la lunghezza d'onda (come il TPB) per convertire i fotoni verso una lunghezza d'onda che possa essere efficientemente rivelabile dai fotosensori (TPB: ~420 nm). La ricostruzione 3D della posizione è fondamentale ai fini di ridurre i segnali di fondo dovuti al materiale radioattivo residuo che costituisce il rivelatore, facendo dei tagli fiduciali sul volume. Inoltre DarkSide sfrutta una delle caratteristiche tipiche del rivelatore: l'elevato potere discriminativo sulla forma del segnale (Pulse Shape Discrimination, PSD) di un bersaglio di Argon. Difatti la scintillazione dell'Argon, S1, consite di due diverse componenti corrispondenti a costanti di tempo diverse: una immediata ed una ritardata. La peculiarità dell'Argon è che queste due componenti possono essere facilmente distinte e la loro dose relativa dipende strettamente dal tipo di interazione, se è dovuta ad un rinculo nulceare (dovuta tipicamente ad un neutrone o ad una particella tipo WIMP) o ad un rinculo di un elletrone ( dovuta tipicamente a fotoni, elettroni o neutrini). La tecnica della PSD può portare ad una potere di reiezione dei rinculi di elettroni dell'oridne di 108.
L'esperimento DarkSide
Attualmente la collaborazione DarkSide sta acquisendo dati grazie ad un rivelatore contenente 50 Kg di Argon, DS-50, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS). Un laboratorio sotteraneo come i LNGS è fondamentale per un esperimento che cerchi eventi rari come DarkSide, dal momento che porta alla drastica riduzione del fondo dovuto ai raggi cosmici. DS-50 prende dati fin dal 2014. Nel video sopra, la TPC rappresentata è basata sul modello di DS-50, con un totale di 38 fotosensori, in questo caso fotomoltiplicatori (PM), 19 nella matrice sulla superfice superiore ed altrettanti in quella inferiore, con un diametro di circa 36 cm. Dall'ottobre 2015, DS-50 sta producendo i primi risultati sulla ricerca di WIMP basata sull'utilizzo di Argon a bassa radioattività dal sottosuolto (UAr). Questo UAr ha permesso di ridurre l'isotopo 39Ar di un fattore 1400 e la conseguente riduzione della frequenza del rumore.
La collaborazione DarkSide progetta di aumentare le dimensioni del rivelatore ed in particolare la massa fiduciale del liquido di Argon nella TPC fno a 20 tonnellate. Uno dei parametri chiave riguarda la rivelazione della luce: DS-20k userà come fotosensori dei fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) invece degli standard PM.
Per validare DS-20k sia negli aspetti meccanici che funzionali, saranno assemblati e testati due diversi prototipi, nei laboratori di LNGS e del CERN: un primo prototipo, DS-Proto-0, per un totale di 10 Kg, al fine di ottimizzare S2 mediante la tecnologia dei SiPM, e successivamente DS-Proto-1, un secondo prototipo di 175 Kg, in pratica una versione ridotta di DS-20k, per provare il funzionamento del principio. Proto-0 consiste di un totale di 50 canali (1200 SiPM) e hanno già avuto luogo alcuni test preliminari tra Luglio e Settembre 2019 al CERN (l'attività è prevista proseguire anche nel 2020). DS-Proto-1 seguirà quindi a DS-Proto-0 e avrà un totale di 250 canali (6000 SiPM) e opererà al CERN o ad LNGS nel 2021.
DarkSide-20k
DarkSide-20k (DS-20k) sarà caratterizzato da un livello di rumore estremamente basso in maniera tale da raggiungere la sensibilità per una sezione d'urto di WIMP-nucleone di 7.4 10−48 cm2 (6.9 10−47 cm2) per WIMP di massa di 1 TeV/c2 (10 TeV/c2) ed opererà ai LNGS dal 2023. Il rivelatore interno è una TPC doppia fase di 350 cm di altezza ed una distanza tra le pareti interne di 355 cm. Sulle superfici superiori ed inferiori della TPC vi è una matrice di SiPM, che fungono come fotosensore.
Le tecnologie chiave che permetteranno di raggiungere questi risultati sono:
- Il criostato di Argon liquido di proto-Dune: la TPC di DS-20k sarà ospitata nel criostato (scalabile) di proto-Dune (in arancione nella figura sottostante), grazie al quale non vi sarà più bisogno di un criostato nelle immediate prossimità della TPC; ciò permetterà l'uso di un contenitore ultrapuro (PMMA) per la TPC. Tutto ciò ridurrà enormemente la frequenza di segnali di fondo dovuti al materiale residuo radioattivo.
- l'Argon underground (UAr) e purificato che sarà utilizzato: per ridurre il rumore, DS-20k non solo farà uso del UAr (svuotato dal Ar39), grazie all'impianto Urania (Colorado, USA), ma inioltre purificherà l'UAr separando isotrpicamente l'Argon da altri elementi, per una riduzione dell'ordine di 103. Ciò sarà grazie all'impianto Aria (Sardegna, Italia), una colonna di distillazione alta 350 m.
- i moduli di fotorivelatori (basati sulla tecnologia SiPM invece che PM): il fotosensore di DS-20k avrà come unità base un PDM, ovvero una matrice di 24 SiPM delle dimensioni di 11.7 mm x 7.9 mm, per un totale di 5 x 5 cm2 di area ognuno, operante come singolo canale (in Figura sulla sinistra). Dopo un ampio R&D realizzato dalla collaborazione DarkSide ed FBK, le performance dell'unità PDM hanno raggiunto le richieste di DS-20k grazie ad una nuova tecnologia di SiPM: i SiPM NUV-HD-Cryo. Oltre alla matrice di SiPM ogni PDM include anche una scheda di front-end, basata su amplificatori a transimpedenza (TIA) sviluppati e ottimizzati per operare in criogenia (temperatura dell'Argon liquido) e la struttura mecccanica (in plastica) richiesta per l'assemblaggio delle componenti. Nel rivelatore finale, vi saranno un totale di circa 8200 PDM (canali) corrsipondenti a 196800 SiPM criogenici. I PDM sono a loro volta assemblati in PDU (unità di fotorivelatori, Figura al centro), costituiti da 25 PDM ognuno, per un totale di 344 PDU, che andranno a coprire la superficie superiore ed inferiore della TPC (in Figura sulla destra).
Nel plot di esclusione riportato di seguito sono riportati i risultati raggiunti ad oggi (linea continua) per le sezioni d'urto spin-indipendenti di WIMPs su nucleoni e confrontati con le sensibilità di futuri esperimenti (linea tratteggiata), tra i quali DS-20k. Come si può notare, a basse masse (sotto i 3-4 GeV/c2) DS-50 ha raggiunto al momento i risultati migliori. (DARWIN e Argo sono i passi ancora successivi previsti degi esperimenti XENON e DarkSide rispettivamente).