Materia oscura, per cercarla parte l’esperimento PADME

(Infn) – Ricercare la materia oscura, o meglio il fotone oscuro, una particella simile al fotone classico, delle onde elettromagnetiche, ma stavolta dotata di una massa, seppure piccola. Questo è l’obiettivo dell’esperimento PADME per la ricerca della materia oscura, che sta per iniziare la fase di presa dati ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

L’ipotesi su cui si basa l’esperimento è che la materia oscura sia sensibile a un nuovo tipo di forza, che non rientra tra le quattro forze fondamentali che conosciamo (gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole), a cui sarebbe associato un “messaggero” chiamato appunto fotone oscuro. Questa ipotesi è prevista da alcuni modelli teorici che descrivono la materia oscura a cui i fisici di tutto il mondo danno la caccia da anni.

“Lo studio della materia oscura è una delle frontiere più affascinanti della ricerca in fisica fondamentale”, commenta Mauro Raggi, spokesperson dell’esperimento, ricercatore INFN e dell’Università La Sapienza di Roma. “Non sappiamo di cosa sia fatta ma sappiamo che è costituita da qualcosa di diverso dalle particelle che compongono la materia ordinaria come i protoni, i neutroni o gli elettroni”.

“PADME entrerà in presa dati nelle prossime settimane e si metterà subito a caccia del fotone oscuro“, sottolinea Paolo Valente, co-spokesperson dell’esperimento, ricercatore INFN e dell’Università La Sapienza di Roma, “una particella simile al fotone ordinario ma contraddistinto dal fatto di avere una piccola massa”.

Come funziona

PADME funziona grazie ad un apparato di misura piccolo, ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione di fotone oscuro in collisioni di elettroni e anti-elettroni, chiamati positroni. L’esperimento è installato nella sala sperimentale della struttura di test (BTF) dell’acceleratore lineare dei LNF che accelera positroni “sparandoli” su un bersaglio di diamante. Interagendo con gli elettroni atomici, i positroni potrebbero produrre i “fotoni oscuri” assieme ad un fotone visibile.

Per funzionare, l’esperimento ha bisogno di un campo magnetico sviluppato da un magnete realizzato al CERN Super-Proto-Sincrotrone. Il calorimetro di PADME è composto da circa 600 cristalli scintillanti inorganici e fornirà una misura precisa delle caratteristiche del fotone visibile da cui è possibile estrarre preziose informazioni sull’esistenza e sulla massa del fotone oscuro.

PADME è una collaborazione internazionale che coinvolge ricercatori dell’istituto MTA Atomki di Debrecen, Ungheria, dove già sono stati svolti esperimenti sul “dark photon” e dell’Università di Sofia, in Bulgaria, che si occuperà dei rivelatori a barre scintillanti. Sono anche membri della collaborazione Cornell University, Iowa University e William and Mary College.

Focus tecnologie

Il bersaglio, il calorimetro e il monitor di fascio di PADME rappresentano il frutto di tecnologie innovative al cui sviluppo hanno sinergicamente cooperato partners industriali e del mondo della ricerca (ricercatori INFN e della struttura della materia).

Il bersaglio di PADME è una membrana dello spessore di un decimo di millimetro di diamante artificiale policristallino e costituisce un dispositivo innovativo con funzione di rivelatore. E’ stato realizzato da partner industriali in stretta collaborazione con i laboratori INFN. La collaborazione dei ricercatori INFN con fisici della materia ha inoltre consentito di sviluppare una nuova tecnica per la realizzazione degli elettrodi basata sull’irraggiamento con luce laser della superficie del diamante per produrre strisce di grafite conduttive.

Il calorimetro è un esempio di come tecnologie sviluppate nella ricerca di base abbiano poi importanti ricadute in svariati campi applicativi di grande impatto sociale. Infatti, esso è costruito con una tecnologia nata per la fisica delle particelle, che si è poi diffusa, grazie alle caratteristiche di granularità, alta efficienza e densità, nel campo della diagnostica medica, come ad esempio la PET.

Il monitor di fascio è stato costruito grazie a una tecnologia a pixel di silicio chiamata TimePix, sviluppata al CERN, e realizzato in collaborazione con un’azienda della repubblica Ceca (ADVACAM) che sta lavorando ad applicazioni industriali di questa tecnologia.