Inaugurato PADME per la ricerca del fotone oscuro

padme-fotone-oscuroUn 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’INFN, alla ricerca della materia oscura.

Inaugurato presso i Laboratori di Frascati l’esperimento si basa sull’ipotesi, avanzata da alcuni modelli teorici , dell’esistenza di una quinta forza,  oltre alle quattro conosciute (forza  nucleare debole, forza nucleare forte, elettromagnetica, gravitazionale), e il fotone oscuro  dovrebbe essere la sua particella mediatrice, in grado di connettere la materia oscura con la materia ordinaria che conosciamo, prevista dal  Modello Standard. Il fotone oscuro (o fotone pesante), secondo i teorici,  dovrebbe avere una piccola massa e interagire poco con la materia ordinaria.  Trovarlo significherebbe per gli scienziati risolvere, almeno in parte, uno dei misteri della fisica contemporanea, quello della materia oscura.

Il primo ad ipotizzarne l’esistenza fu l’astronomo F. Zwicky nel 1933 quando osservando l’ammasso della Chioma di Berenice notò che le velocità di movimento interne non erano compatibili con la massa visibile nell’ammasso. Ne dedusse che doveva esistere della materia non visibile al telescopio che non emetteva radiazione, ma teneva insieme l’ammasso. Zwicky chiamò questa materia “dark matter”,  materia oscura. In base alle osservazioni fatte in seguito gli scienziati, oltre che a convincersi della sua esistenza, stabilirono che essa costituiva il 27% della materia contenuta nell’Universo, contro il 5% di materia visibile. Il restante  sarebbe costituito, invece,  da una quantità enorme di energia oscura, di cui non si sa quasi nulla. “Il problema della materia oscura – ha detto Fernando Ferroni, presidente dell’INFN ai giornalisti – 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 guida.

E’ cruciale però anche verificare modelli teorici meno studiati, grazie a piccoli esperimenti dedicati, come PADME, che sfruttano – conclude – la grande competenza  dell’INFN nella tecnologia degli acceleratori”. PADME, infatti, inaugura un nuovo approccio alla ricerca della materia oscura, fino ad ora concentrata sull’esistenza di particelle con massa elevata da cercare in regioni di altissima energia (fino a 10 TeV, almeno per ora), rivolgendosi a particelle più piccole o leggere con massa nell’intervallo di 1 MeV-10 GeV . L’apparato, piccolo, ma preciso, è in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di elettroni e anti-elettroni, o come vengono chiamati, positroni. E’ installato nella sala sperimentale della struttura di test (BTF) dell’acceleratore lineare, Linac, che accelera i positroni “sparandoli” su un sottile bersaglio di diamante artificiale, una membrana di un decimo di millimetro. Interagendo con gli elettroni atomici del bersaglio, i positroni potrebbero produrre i “fotoni oscuri” assieme a un fotone visibile.

I dati viaggiano tramite fibre ottiche,  sono ricevuti da una batteria di computer e analizzati nella sala di controllo dove i ricercatori monitorano l’esperimento. PADME, è una collaborazione internazionale che coinvolge diversi Istituti di ricerca ed università americane, bulgare e ungheresi  e resterà in funzione per alcuni mesi fino alla conclusione della prima fase di presa dati (Run 1) che dovrebbe avvenire nei primi mesi del 2019. L’entusiasmo e l’impegno dei ricercatori italiani è al massimo e la speranza è, naturalmente, di tagliare il traguardo prima degli altri. Anche se c’è chi potrebbe arrivare prima: i fisici ungheresi dell’Istituto  MTA Atomki di Debrecen hanno osservato, infatti,  un’anomala abbondanza di decadimenti elettrone-positrone nei nuclei di berillo 8 che avrebbero le caratteristiche per derivare da un fotone oscuro leggero.

Rita Lena

 

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