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Pronti i dati per cercare il fotone oscuro

Si è concluso mercoledì 2 dicembre il run 2 di PADME presso il complesso di acceleratori dei Laboratori Nazionali di Frascati.

PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) è un esperimento dell’INFN dedicato alla ricerca della materia oscura e in particolare del fotone oscuro. Alcuni modelli teorici ammettono l’esistenza di una forza che collega il nostro mondo alla materia oscura. Questa cosiddetta “quinta forza” sarebbe associata a una particella mediatrice chiamata appunto fotone oscuro, una particella simile al fotone ordinario mediatore della forza elettromagnetica, ma con massa non nulla.

Per produrlo PADME utilizza gli eventi di annichilazione tra i positroni creati ed accelerati dal LINAC fino a circa 500 MeV (cioè un’energia pari a circa 1000 volte la loro massa) e gli elettroni di un sottile bersaglio di diamante (dello spessore di 1/10 di mm).

Nei 79 giorni di presa dati sono stati inviati 5*1012 positroni sul bersaglio di diamante.

Molti di questi positroni hanno attraversato il bersaglio senza interazioni mentre una parte si è scontrata con gli elettroni degli atomi di carbonio che costituiscono il diamante producendo elettroni, positroni e fotoni. Ed è proprio tra queste interazioni che potrebbe nascondersi il fotone oscuro.

Inizia ora la fase di analisi dei dati che fornirà un’indicazione sull’evidenza (o esclusione) dell’esistenza del fotone oscuro a queste energie. In particolare i dati consentiranno di definire i limiti sui valori della massa del fotone oscuro e della sua capacità di interagire con le particelle e le forze note.

I risultati del run 2 vanno ad arricchire i dati presenti in letteratura in questo intervallo di energie che derivano da metodi alternativi usati in altri esperimenti per produrre il fotone oscuro ovvero tramite la collisione di fasci di elettroni e positroni e tramite i decadimenti di mesoni.

Paolo Valente, co-spokesperson dell’esperimento: “Siamo particolarmente orgogliosi di aver portato a termine questa presa dati nel tempo non facile della pandemia, grazie allo sforzo dei gruppi italiani della collaborazione e anche grazie all’impegno dei nostri giovani studenti, dottorandi e post-doc”.

Anche nella fisica si può parlare di economia circolare: gli scontri tra particelle sono miniere per studiare diverse aree della fisica subnucleare. Così è pure per PADME. I dati raccolti in questi mesi forniranno preziose informazioni anche riguardo un altro ambito della fisica, l’elettrodinamica quantistica QED. Infatti le stesse collisioni tra elettroni e positroni dalle quali si potrebbe generare il fotone oscuro, producono anche stati finali con 2 o 3 fotoni. Questi sono processi noti e studiati a livello teorico ma non esistono dati a queste energie o sono molto scarsi. I dati di run 2 aiuteranno a completare la comprensione di questi processi in un intervallo inesplorato.

La caccia alla materia oscura ai LNF non finisce qui. La collaborazione già guarda al futuro di PADME con un progetto che sfrutta la possibilità di utilizzare un fascio di positroni molto più intenso, estratto da uno degli anelli dell’acceleratore DAFNE.

La collaborazione PADME è composta da ricercatori dei Laboratori Nazionali di Frascati, delle Sezioni di Lecce, Torino, assieme al Politecnico di Torino,  Roma 1 e Roma2, University of Sofia, MTA Atomki, Debrecen, Cornell University e College of William and Mary, Williamsburg.