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PandaX-1, i primi risultati delle ricerche sulla materia scura

Il gruppo di 40 fisici che collaborano all’esperimento Particle and Astrophysical Xenon Detector (PandaX) guidati dalla Shanghai Jiao Tong University e che ha lo scopo di dare la caccia alla materia scura in un laboratorio sotterraneo situato nella parte sud-ovest della Cina, hanno pubblicato sulla rivista Science China Physics, Mechanics & Astronomy i risultati delle prime fasi dell’esperimentoPandaX è il primo esperimento sulla materia scura che viene realizzato in Cina e che utilizza un rivelatore contenente più di cento chili di xeno. Il progetto è stato studiato per monitorare le eventuali collisioni tra i nucleoni dell’atomo di xeno e le cosiddette Weakly Interactive Massive Particles (WIMPs) che sono le principali indiziate per la materia scura.

Nel loro articolo, gli scienziati spiegano come la materia scura sia la principale candidata per spiegare gli effetti gravitazionali che vengono osservati nelle curve di rotazione galattiche, negli ammassi di galassie e nella formazione delle strutture su larga scala. Se confermate, le particelle di materia scura potrebbero estendere le nostre conoscenze dei costituenti fondamentali della materia al di là del modello standard e fornire nuovi indizi a supporto di quei modelli che ipotizzano l’esistenza delle superparticelle e le dimensioni extra dello spaziotempo. La rivelazione delle WIMPs potrebbe rappresentare una chiara evidenza che la materia scura è effettivamente presente nel Sistema Solare (post) e allo stesso tempo essere determinante per esplorare le proprietà fondamentali di queste particelle fortemente indiziate. Gli esperimenti per la rivelazione diretta delle WIMPs hanno prodotto diversi risultati interessanti che, però, non sono stati scientificamente confermati, anche se ciò ha portato la comunità scientifica ad eseguire ulteriori ricerche. Tecniche più moderne che fanno uso di gas nobili, come l’argon o il xeno, hanno dimostrato le loro potenzialità in parte dovute alla capacità di eliminare il rumore di fondo per discriminare la presenza del segnale. Ad esempio, gli esperimenti XENON10/100 e LUX hanno raggiunto una elevata sensibilità, superiore ad un fattore due su un ampio intervallo dei valori della massa. Nel caso dell’esperimento cinese l’uso del rivelatore al xeno a doppia fase (liquido e gas) è stato concepito per cercare WIMPs “leggere” e “pesanti”. Infatti, il programma consisterà di due fasi: nella prima si esplorerà il dominio dei valori più bassi della massa (< 10 GeV), mentre nella seconda si considererà il dominio dei valori più alti (10 – 1000 GeV).

PandaX-1_events
La figura illustra gli eventi registrati dall’esperimento PandaX-1 durante 17,4 giorni. Il box di color blu mostra il volume fiduciale di 37 Kg nel quale sono stati registrati 46 eventi, mentre il rettangolo in rosso rappresenta l’area del rivelatore. Credit: Mengjiao Xiao et al.

Il successo iniziale del progetto PandaX dimostra come la Cina abbia già raggiunto il livello degli altri esperimenti sparsi sul globo, ce ne sono attualmente più di venti. Negli ultimi anni, alcuni di essi, come gli esperimenti DAMA/LIBRA in Italia, CoGeNT e CDMS negli USA e CRESST in Germania, hanno riportato una serie di dati che potrebbero essere interpretati come “segnali positivi”. Da Maggio di quest’anno, quando sono iniziati i primi esperimenti PandaX della prima fase, dobbiamo dire che non è stato rivelato alcun segnale che fosse associato alla presenza di materia scura, il che pone dei limiti stringenti su tutti gli altri dati che sono stati raccolti da simili esperimenti. Fino ad oggi, PandaX ha raccolto circa 4 milioni di eventi e solo circa 10 mila si trovano nella parte di energia di interesse, mentre nella regione centrale del rivelatore sono stati osservati appena 46 eventi, consistenti con un segnale di fondo e non di materia scura. Ad ogni modo, lo scopo della prima fase dell’esperimento PandaX è stato quello di esaminare l’attendibilità dei dati degli altri esperimenti. La scala di energia dell’esperimento PandaX è seconda solo a quella di LUX, che è attualmente l’esperimento più grande situato nelle miniere del Sud Dakota negli Stati Uniti. Per mascherare l’esperimento dai raggi cosmici, il rivelatore di PandaX è stato situato presso il laboratorio China Jinping Underground Laboratory (CJPL), il più profondo esistente al mondo, realizzato dalla Tsinghua University e dalla Yalong River Hydropower Development Company nel 2010.

Phys.org: First dark matter search results from Chinese underground lab hosting PandaX-I experiment
Science China Press: First dark matter search results from the PandaX-I experiment
Springer: First dark matter search results from the PandaX-I experiment
arXiv: First dark matter search results from the PandaX-I experiment