Ha il nome della celebre protagonista di Star Wars, Padmé Amidala, la madre di Luke Skywalker e Leia Organa, e anche lui avrà a che fare con qualcosa di oscuro: non si tratterà di Darth Vader o della Morte Nera ma di una particolare particella. Stiamo parlando 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-LINear ACcelerator), dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, alla ricerca della materia oscura. Inaugurato il 4 ottobre 2018, PADME potrebbe svelare per la prima volta l’esistenza di una “nuova forza” a cui sarebbe associata una particella chiamata fotone oscuro, grazie a un apparato di misura piccolo ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di antielettroni con gli elettroni del bersaglio.
Ha il nome della celebre protagonista di Star Wars, Padmé Amidala, la madre di Luke Skywalker e Leia Organa, e anche lui avrà a che fare con qualcosa di oscuro: non si tratterà di Darth Vader o della Morte Nera ma di una particolare particella. Stiamo parlando 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-LINear ACcelerator), dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, alla ricerca della materia oscura. Inaugurato il 4 ottobre 2018, PADME potrebbe svelare per la prima volta l’esistenza di una “nuova forza” a cui sarebbe associata una particella chiamata fotone oscuro, grazie a un apparato di misura piccolo ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di antielettroni con gli elettroni del bersaglio.
Cos’è il fotone oscuro?
Come è raccontato in una delle Newsletter INFN dedicata a PADME, si stima che la materia oscura componga circa l’80% di tutta la materia dell’Universo, e il 27% dell’Universo nel suo complesso. I fisici non sanno né di che cosa sia fatta né per quale ragione, pur essendo così abbondante a livello cosmico, non siano state ancora rivelate sue interazioni dirette con la nostra materia ordinaria. Unica certezza sulla sua natura: la materia oscura è fatta di qualcosa di diverso dalle particelle che costituiscono la materia ordinaria come i protoni, i neutroni o gli elettroni.
L’ipotesi su cui si basa l’esperimento PADME è che la materia oscura sia sensibile a un nuovo tipo di forza che non rientra tra le quattro forze fondamentali: le forze gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. A questa nuova forza, come per le altre quattro, sarebbe associato un “messaggero”, in questo caso un fotone, con proprietà simili al fotone ordinario ma contraddistinto dal fatto di avere una piccola massa: questo è il fotone oscuro, che grazie alla sua massa e alla sua abbondante presenza nell’universo, potrebbe costituire tutta o buona parte di questa materia sconosciuta.
“Il problema della materia oscura 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 di guida” ha commentato nel comunicato stampa dell’inaugurazione Fernando Ferroni, presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. “È cruciale però anche verificare modelli teorici meno studiati, grazie a piccoli esperimenti dedicati, come PADME, che sfruttano la grande competenza dell’INFN nella tecnologia degli acceleratori”.
L’esperimento PADME
Sempre in uno dei comunicati diffusi dall’INFN, troviamo la descrizione di questo importante esperimento. Per produrre il fotone oscuro, PADME utilizza gli eventi di annichilazione tra gli anti-elettroni (positroni) prodotti e accelerati dal LINAC di Frascati e gli elettroni di un sottilissimo bersaglio di diamante sintetico (dello spessore di 1/10 di millimetro), che consente quindi di monitorare l’intensità, le dimensioni e la posizione del fascio di particelle. Il più delle volte l’annichilazione produce due fotoni ordinari, con un’energia totale pari a quella del fascio incidente, laddove venisse prodotta una nuova particella, in questo caso un fotone oscuro, l’unico fotone rivelato porterebbe solo una frazione dell’energia totale. Misurando con precisione l’energia e la posizione del fotone ordinario, PADME è quindi in grado di determinare la massa mancante. Per fare questo utilizza un calorimetro con eccellente risoluzione in energia e posizione, costituito da circa 600 cristalli di BGO (germanato di bismuto), provenienti dall’esperimento L3 al LEP del CERN.
La collaborazione PADME inizia con una fase di presa dati con l’obiettivo di raggiungere una sensibilità nell’accoppiamento del fotone oscuro al fotone ordinario di 10-6, che richiede di produrre oltre 10.000 miliardi di annichilazioni di positroni sul bersaglio.
Una collaborazione internazionale
“PADME è la migliore dimostrazione che anche laboratori di medie dimensioni, come Frascati, possono avere un programma di fisica fondamentale di alto livello. Oggi la ricerca delle motivazioni della materia oscura è una delle sfide più appassionanti e difficili e richiede una molteplicità di approcci” ha dichiarato Pierluigi Campana, direttore dei Laboratori Nazionali di Frascati.
PADME è una collaborazione internazionale che coinvolge ricercatori dell’Istituto MTA Atomki di Debrecen, Ungheria, dove già sono stati svolti esperimenti sul fotone oscuro e dell’Università di Sofia, in Bulgaria che si è occupata dei rivelatori a barre scintillanti. Sono anche membri della collaborazione Cornell University, Iowa University e William and Mary College, degli Stati Uniti. La sensibilità dell’esperimento potrebbe essere molto migliorata utilizzando un fascio di particelle di più alta energia, per esempio utilizzando i positroni accelerati ed estratti da un sincrotrone. Questa proposta viene studiata in collaborazione con i colleghi della Cornell University, anche grazie a un programma di scambio finanziato dal Ministero degli Esteri e della Cooperazione Internazionale.
Se volete scoprire l’evoluzione scientifica del concetto di massa, acquistate e leggete l’articolo di Domenico Coiante, “La massa: da Newton a Higgs”, pubblicato nel numero di ottobre 2016 di Sapere.
