Wednesday, 21 February 2018 back

Dal Gran Sasso alla California: annunciati i risultati di DarkSide-50

In occasione di “UCLA Dark Matter 2018” presso la UCLA University of California, Los Angeles – saranno annunciati i risultati dell’esperimento DarkSide-50 operativo all’interno dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso INFN a L’Aquila. Portavoce della collaborazione internazionale DarkSide è Cristian Galbiati, prossimo Professore ordinario al GSSI.

Nuovi importanti passi in avanti, scientifico e tecnologico, nella ricerca della materia oscura sono stati compiuti. L’esperimento DarkSide-50, in attività ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha, infatti, presentato due nuovi risultati sullo studio della materia oscura. I dati sono stati riportati il 21 febbraio durante la conferenza Dark Matter 2018 in corso negli Stati Uniti, all’Università della California Los Angeles (UCLA). 


DarkSide-50 è stato progettato per la ricerca di un tipo particolare di WIMP di grande massa, cioè maggiore di 50 GeV/c2. La difficoltà più grande riguarda la capacità di identificare e quindi scartare il background, vale a dire quegli eventi che, essendo simili a un’interazione di WIMP (ma dovuti invece a particelle di natura nota, tipicamente radioattività ambientale), nasconderebbero il segnale. DarkSide-50, al termine di un periodo di presa dati di 530 giorni, conferma le altissime capacità discriminanti della sua tecnologia basata sull’argon, perché non è stato individuato nessun segnale nei dati raccolti. Questo fatto ci consente di concludere che la tecnologia adottata da DarkSide è in grado di distinguere con grandissima precisione tra le interazioni (rinculi nucleari) tipiche delle WIMP e quelle dovute alla radioattività naturale. Questo risultato rafforza quindi la convinzione che se un segnale, candidato a essere un evento di interazione della materia oscura con la materia del rivelatore, dovesse essere registrato in un esperimento ad argon più grande di quello attuale (come sarà il futuro DarkSide-20k), allora potremmo effettivamente concludere che è stato prodotto da una particella mai osservata prima.


Oltre a questo, un secondo risultato, relativo a una nuova analisi degli eventi di ionizzazione a bassa energia, ha dimostrato che il rivelatore DarkSide-50 ha eccezionali capacità nella ricerca di particelle di materia oscura anche di massa più piccola (minore di 10 GeV/c2).

Il cuore di DarkSide-50 è una camera a proiezione temporale a doppia fase ad argon (liquido e gassoso). Caratteristiche uniche di questo rivelatore sono l’impiego, appunto, di argon a bassissima radioattività, e il sistema attivo di veto dei neutroni, così efficiente da riuscire a identificare e quindi eliminare il background.

Oggi noi sappiamo di che cosa è fatto poco meno di un quinto della materia presente nel nostro universo. Della restante parte siamo in grado di dire solamente che è costituito di un altro tipo di materia, diversa da quella ordinaria di cui è composto tutto ciò che conosciamo, e che chiamiamo materia oscura, perché non emette o assorbe nessun tipo di radiazione osservabile con i nostri strumenti. Nonostante finora sia rimasta completamente invisibile, sappiamo però che esiste perché osserviamo gli effetti gravitazionali che essa esercita sulla materia ordinaria. Negli anni sono state formulate varie teorie sulla sua natura. Alcune di queste ipotizzano che le particelle di materia oscura possano essere le cosiddette WIMP, Weakly Interacting Massive Particles, particelle massive che interagiscono debolmente.

“I risultati appena presentati dalla nostra collaborazione – commenta Cristian Galbiati, coordinatore internazionale della Collaborazione DarkSide-50, in procinto di prendere servizio come Professore al Gran Sasso Science Institute – rappresentano il modo migliore per iniziare l’avventura del futuro DarkSide-20k. I risultati di DarkSide-50 ci rendono, infatti, molto fiduciosi nelle nostre scelte tecnologiche e nella capacità di mettere in atto un promettente programma di scoperta”.

L’esperimento, frutto di una collaborazione internazionale cui partecipano istituzioni di Brasile, Cina, Francia, Italia, Polonia, Spagna, Russia, Ucraina e Stati Uniti d'America, è un prototipo del futuro esperimento DarkSide-20k. Rispetto all’attuale rivelatore, DarkSide-20k avrà una massa di argon liquido quasi mille volte maggiore e questo potenzierà enormemente la sua capacità di scoperta di particelle di materia oscura. “ Se la tecnologia di un rilevatore mai identificherà in modo convincente gli eventi indotti dalla materia oscura, sarà proprio quella del DarkSide-20k”, aggiunge Galbiati.

Per lo sviluppo delle tecnologie richieste da DarkSide-20k, il Governo Italiano e le Regioni Abruzzo e Sardegna hanno approvato progetti speciali di R&D, mirati alla realizzazione in Italia dei rivelatori di luce (fotosensori) utilizzati dall’esperimento e alla produzione dell’argon a bassissima radioattività. In particolare, l’argon sarà estratto da sorgenti sotterranee in Colorado e purificato in un impianto installato nella miniera di Seruci nel Sulcis, in Sardegna.
 Mentre i fotosensori di silicio saranno interamente prodotti in Italia e assemblati nella Nuova Officina Assergi (NOA), il nuovo hub tecnologico dei Laboratori del Gran Sasso sostenuto dalla Regione Abruzzo.

 

FOTO: Immagine pittorica che mostra, sovrapposta a un'immagine ottica, le distribuzioni spaziali della materia ordinaria (rosa) e quella assegnata alla materia oscura (blu) stimate studiando la fusione di due gruppi di galassie (Bullet Cluster)


 DarkSide-50 results to be announced at UCLA Dark Matter 2018

The DarkSide-50 experiment in operation at the Gran Sasso National Laboratories in Italy will report important new results on its search for dark matter, at the UCLA Dark Matter 2018
conference and at the Lake Louise Winter Institute on February 21, 2018. DarkSide-50 was designed as a search for high mass (>50 GeV/c2) Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) where the critical feature is background rejection. Analysis of a 530 day exposure has just been completed and the result is a convincing demonstration of the rejection capabilities of the technology. The discrimination achieved between natural radioactivity and nuclear recoils is a strong confirmation of the capabilities of the liquid argon technology. In addition to this achievement, a novel analysis of the ionization signal from low-energy events has been developed which demonstrates that the DarkSide-50 detector has outstanding capabilities in the search for lower mass (<10 GeV/c2) dark matter. These results encourage confidence that if a signal is eventually detected in a larger argon-based detector, like the upcoming DarkSide-20k20k, the signal will indeed be from something new in nature.

The Spokesperson of the DarkSide Collaboration and future GSSI Professor, Cristian Galbiati, stated: “This is the best way to start the adventure of the future experiment DarkSide-20k. The results of DarkSide-50 provide great confidence on our technological choices and on the ability to carry out a compelling discovery program for dark matter. If a detector technology will ever identify convincingly dark matter induced events, this will be it.”

The heart of the DarkSide-50 apparatus is a two-phase liquid argon time projection chamber. Unique features of the detector are the active neutron veto and the use of low-radioactivity
argon. The apparatus is located in Hall C of the underground laboratory of the Gran Sasso National Laboratories (LNGS) of the Italian National Institute for Nuclear Physics (INFN). The
Experiment is a collaboration of institutions from Brazil, China, France, Italy, Poland, Spain, Russia, and the United States of America.

Picture: Pictorial image showing, superimposed to an optical image, the spatial distributions of ordinary matter (pink) and the one assigned to dark matter (blue) estimated studying the merging of two clusters of galaxies (Bullet Cluster)