Se nelle scorse settimane siete rimasti stupiti dallo scoprire che il Gran Sasso ben si presti per testare strumentazioni artiche, la notizia che in questi giorni giunge dal massiccio abruzzese vi lascerà a bocca aperta. Prenderà infatti a breve il via presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) un esperimento finalizzato alla ricerca diretta della Materia Oscura. Il titolo di tale progetto avveniristico è “Cosinus” (Cryogenic Observatory for SIgnatures seen in Next-generation Underground Searches).
Nel dettaglio lo scopo di Cosinus è sviluppare un calorimetro criogenico, operante alla temperatura di 0,01 Kelvin, con ioduro di sodio (NaI) come bersaglio.
Se vagamente ciascuno di noi associ in maniera piuttosto immediata i Laboratori del Gran Sasso alla fisica dei neutrini, tocca ammettere un certo grado di ignoranza. Sia nel campo dei neutrini stessi che della Materia Oscura. Pertanto cerchiamo di capire in termini più semplici di cosa vada alla ricerca Cosinus, chiamando a supporto il GSSI (Gran Sasso Science Institute) che ha diffuso un comunicato adatto anche ai non addetti ai lavori.
Cosa è la Materia Oscura?
Prima di arrivare al concetto di “calorimetro criogenico”, partiamo dalle basi del progetto. E iniziamo col dire che gli scienziati ancora non abbiano chiaro cosa sia la Materia Oscura. Nell’universo è abbondantissima ma la sua natura è ancora ignota.
“La Materia Oscura rappresenta più di un quarto dell’ammontare totale di materia-energia nell’Universo – si legge nella scheda tecnica del progetto sul sito ufficiale dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) – , superando di un fattore cinque la materia ordinaria barionica, che costituisce le galassie visibili”.
“É uno dei temi caldi della fisica astro-particellare contemporanea – spiega il GSSI – . Le ricerche in questo settore vengono condotte in tutto il mondo con diverse tecnologie: a terra, nei laboratori sotterranei e con gli acceleratori di particelle. E nello spazio, con esperimenti su satellite. Ma, ad oggi, nulla può essere ancora concluso sull’argomento”.
E alla fine arriva “Cosinus”
Ecco che entra in gioco il progetto a breve al via sul Gran Sasso, per cercare di gettare luce nell’oscurità. Il concetto alla base di Cosinus nasce nel 2015 grazie ad un’idea di Karoline Schäffner, (Max Planck Institute di Monaco, alumna del GSSI), e di Florian Reindl (HEPHY e Technical University di Vienna): identificare l’interazione di una particella di materia oscura in un cristallo scintillante di ioduro di sodio.
Tra il 2016 e il 2019 l’idea si è convertita in prima fase di ricerca e sviluppo del rivelatore. Una tappa resa possibile da un finanziamento di 289.000 € assegnato a Karoline Schäffner, all’epoca ricercatrice al GSSI, dalla Commissione Scientifica Nazionale V dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). I risultati così ottenuti hanno portato alla nascita di una collaborazione tra Germania, Italia, Austria e Cina che ha dato il via alla proposta di una fase 2 del progetto: la realizzazione dell’esperimento vero e proprio.
La realizzazione dell’esperimento avverrà dunque grazie all’impegno della Max Planck Society (Germania), che contribuisce al progetto con un finanziamento complessivo di 3 milioni di euro, dell’INFN – in particolare i LNGS che contribuiscono sia in termini di risorse che di infrastrutture in Italia – , e dell’Istituto HEPHY in Austria. Di recente al team si è unito l’Helsinki Institute of Physics (Finlandia).
“L’idea è di portare il cristallo di ioduro di sodio a temperature prossime allo zero assoluto ( a -273°C) – chiarisce il GSSI – . L’energia rilasciata da una particella all’interno del cristallo determina un lievissimo incremento di temperatura del sistema che può essere misurato mediante l’utilizzo di uno speciale termometro. Combinando le misure di luce e calore, è possibile distinguere chiaramente le particelle di materia oscura da quelle di materia ordinaria”.
“La quantità di luce di scintillazione prodotta dal passaggio di particelle all’interno del cristallo differisce a seconda dalla natura della particella stessa – aggiunge Andrei Puiu, ricercatore presso il GSSI.
Un termometro speciale
Il “termometro” speciale che verrà realizzato nell’ambito del progetto “consiste in un cilindro di 7 m di altezza e 7 di diametro, riempito di acqua ultra-pura e ospitante al centro un criostato in grado di portare i cristalli di ioduro di sodio a -273°C”.
La progettazione tecnica è affidata al Dipartimento Costruzioni del Max Planck Institute di Monaco in stretta collaborazione con gli ingegneri della Divisione Tecnica e del Servizio di Chimica dei LNGS. I rivelatori sono invece sviluppati e testati dai ricercatori del Max Planck di Monaco, dell’INFN e del GSSI. L’elettronica dell’esperimento è appannaggio dell’Istituto HEPHY di Vienna, mentre la produzione dei cristalli avviene in Cina.
Dove si studierà la Materia Oscura?
L’apparato sperimentale verrà realizzato, come anticipato, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, il centro di ricerca sotterraneo più grande e importante del mondo. I LNGS sono stati progettati e costruiti nel cuore del massiccio così da sfruttare la protezione dalla radiazione cosmica offerta dagli oltre 1400 metri di copertura rocciosa sovrastante.
“I 1400 m di roccia che sovrastano i Laboratori costituiscono una copertura tale da ridurre il flusso dei raggi cosmici di un fattore un milione – si legge nel dettaglio sul sito dei LNGS – . Inoltre, la radioattività naturale in galleria è migliaia di volte inferiore rispetto alla superficie grazie alla minima percentuale di Uranio e Torio presente nella roccia di tipo dolomitico che costituisce la montagna del Gran Sasso”.
Le strutture sotterranee sono rappresentate da tre grandi sale sperimentali, di circa 100*20*18 m di dimensioni ciascuna, più tunnel di servizio, per un volume totale di circa 180.000 metri cubi. Geograficamente si collocano su un lato di un tunnel autostradale di 10 km, che attraversa il Gran Sasso in direzione Teramo-Roma.
I LNGS sono finanziati dall’INFN e l’idea della loro realizzazione risale al 1979, ad opera del prof. Antonino Zichichi, all’epoca Presidente dell’INFN. Le opere di scavo per la costruzione delle sale sotterranee hanno avuto inizio nel 1982. Ad oggi vedono operativi oltre 1000 scienziati provenienti da 29 Paesi differenti.
Primi risultati sperimentali nel 2023
La costruzione dell’esperimento, come informa il GSSI, avverrà nel corso del 2021. I primi dati si prevede che vengano raccolti nel 2022. Per i primi risultati sperimentali bisognerà attendere il 2023.
