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A caccia di materia invisibile

Una delle frontiere più affascinanti della fisica fondamentale è certamente la ricerca della materia oscura, ovvero quel 27% di tutta la materia dell’universo di cui non si sono rivelate interazioni dirette con la materia ordinaria.

Con tecniche diverse, cercando di confermare o smentire le diverse ipotesi formulate dai fisici teorici, nei maggiori laboratori di fisica fondamentale di tutto il mondo, si sta conducendo una vera e propria “caccia” a questa forma di materia invisibile. Diversi esperimenti del CERN, come dei laboratori del Gran Sasso o del Jefferson Lab negli Stati Uniti, sono alla ricerca di un segnale che aiuti a chiarire le evidenze cosmologiche della materia oscura.

L’ipotesi su cui si basa l’esperimento PADME, che inizia in questi giorni l’attività di presa dati presso i LNF, 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), alla quale sarebbe associato un “messaggero”, simile al fotone delle onde elettromagnetiche, ma con una massa non nulla (sebbene piccola).

La tecnica sperimentale di PADME prevede di cercare questa nuova particella tra i prodotti delle annichilazioni dei positroni (le antiparticelle degli elettroni) prodotti dall’acceleratore lineare di Frascati, con gli elettroni degli atomi di un bersaglio molto sottile. In alcuni rari eventi, quasi tutta l’energia disponibile dovrebbe essere acquisita dal fotone oscuro a scapito del fotone ordinario “gemello” che viene sempre prodotto in questo tipo di reazione: e+ e -> gamma A’, dove gamma indica il fotone ordinario e A’ quello oscuro che rimarrebbe invisibile anche nei suoi successivi decadimenti in particelle di materia oscura.

L’apparato sperimentale PADME è in grado di misurare l’energia e la posizione del fotone (ordinario) con grande precisione e quindi di rivelare la “firma” di questo tipo di eventi sotto forma di un picco nella energia mancante (o equivalentemente massa mancante). I rivelatori principali di PADME sono quindi dei calorimetri, strumenti in grado di misurare, con eccellente risoluzione, l’energia dei fotoni (e degli elettroni) rivelando la luce di scintillazione prodotta dal passaggio delle particelle.

PADME dispone di due distinti calorimetri: il primo è costituito da una matrice di 600 cristalli di BGO, il secondo realizzato con 25 cristalli di fluoruro di piombo, sfruttando il fenomeno dell’emissione di radiazione Cherenkov, è in grado di misurare con grande precisione non solo l’energia, ma anche il tempo di arrivo delle particelle.

L’esperimento inizierà a prendere dati nella linea di fascio BTF (Beam-Test Facility) nel mese di luglio, per poi proseguire fino alla fine dell’anno, con l’obiettivo di raggiungere una sensibilità di 1/1000 nella costante di accoppiamento tra fotone oscuro e fotone ordinario, accumulando 10.000 miliardi (1013) di interazioni di annichilazione.