Un inatteso eccesso di eventi osservato da XENON1T al Gran Sasso

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 M. Selvi    29-06-2020

La camera a proiezione temporale di XENON1T, il cuore del rivelatore, durante la sua installazione. Si possono osservare sul fondo i 121 sensori ottici (dei 248 totali) che servono a collezionare i segnali luminosi dovuti all’interazione delle particelle nello xenon.

XENON1T, uno degli esperimenti di punta nella ricerca diretta della materia oscura, operativo dal 2016 al 2018 presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha presentato il 17 giugno scorso, durante un seminario online dai LNGS, l’analisi dei suoi ultimi dati, mostrando un inatteso eccesso di eventi. La natura di questo eccesso, che potrebbe anche essere dovuto a una semplice fluttuazione statistica, non è ancora del tutto compresa, perché ha caratteristiche che lo rendono compatibile con varie ipotesi. L’eccesso osservato potrebbe essere dovuto a una minuscola presenza di trizio, un isotopo dell’idrogeno. Ma potrebbe anche essere un segnale di qualcosa di molto più eccitante che ci porterebbe oltre il Modello Standard, come l’esistenza di nuove particelle, per esempio gli assioni solari. Oppure, altra ipotesi interessante, potrebbe coinvolgere nuove proprietà dei neutrini.

Il risultato di XENON1T testimonia il valore delle soluzioni tecnologiche adottate e sviluppate dalla collaborazione e le straordinarie potenzialità del rivelatore, che si conferma il più sensibile al mondo nella ricerca diretta di materia oscura, e in generale nella ricerca di diversi eventi rari, assicurando ai Laboratori del Gran Sasso la leadership mondiale in questo filone di ricerca.

Per comprendere meglio la natura di questo eccesso sarà determinante il potenziamento del rivelatore con la nuova fase chiamata XENONnT. Grazie all’aiuto dello staff dei LNGS e del personale della collaborazione XENON sul posto, l’attuale emergenza sanitaria ha solo un po’ rallentato l’installazione: XENONnT sarà in acquisizione dati entro la fine dell’anno.

I gruppi italiani, coordinati nell'ambito dell'INFN da Marco Selvi (INFN-Bologna), e guidati da Walter Fulgione (INFN-LNGS), Michele Iacovacci (Università di Napoli Federico II), Gabriella Sartorelli (Università di Bologna), Giancarlo Trinchero (INFN-Torino) e Guido Zavattini (Università di Ferrara), fanno parte del progetto XENON1T fin dal suo inizio, nel 2009. Spokesperson dell'esperimento è Elena Aprile (Columbia University). I gruppi italiani sono responsabili della progettazione, costruzione e funzionamento del sistema di veto di muoni, all’interno dello schermo di acqua che è cruciale per la riduzione dei fondi ambientali e di quelli dovuti alla radiazione cosmica residua. Hanno progettato e realizzato le varie infrastrutture presso i LNGS, e guidano l'attività di simulazione Monte Carlo per la predizione e ottimizzazione delle prestazioni del rivelatore, e per la stima delle varie sorgenti di fondo. Sono coinvolti in diversi aspetti dell’analisi dati che ha portato a questi risultati di XENON1T, in particolare il calcolo del fondo previsto. Inoltre l’INFN è coinvolta anche nell’attuale estensione del progetto, con il rivelatore XENONnT in fase di installazione presso i LNGS. In particolare, i gruppi italiani sono responsabili della simulazione Monte Carlo, della progettazione e realizzazione di un nuovo rivelatore di veto per i neutroni e della purificazione dello xenon. Partecipano anche alla infrastruttura di calcolo dell’esperimento tramite il CNAF.

In questo momento la collaborazione XENON sta procedendo al potenziamento dell’esperimento ai Laboratori del Gran Sasso: il successore di XENON1T, chiamato XENONnT, avrà una massa di xenon 3 volte maggiore e un fondo atteso ulteriormente ridotto rispetto a XENON1T. Con i futuri dati di XENONnT, la collaborazione XENON si aspetta di scoprire rapidamente se l’attuale eccesso è dovuto a una semplice fluttuazione statistica, a una nuova componente del fondo, o a qualcosa di più interessante: un segnale di una nuova particella o un’interazione al di là del Modello Standard.

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