INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Esistono solide prove astrofisiche che suggeriscono che la maggior parte della materia che forma l’Universo non sia “materia ordinaria”, cioè non sia costituita da particelle descritte dal Modello Standard. L’ipotesi più accreditata tra i fisici postula che sia costituita da un nuovo tipo di materia, elettricamente neutra e stabile, che non interagisce (poco o nulla) con la materia ordinaria e dunque non produce radiazione elettromagnetica, risultando “oscura”.
Moltissimi modelli teorici prevedono diversi tipi di materia oscura. Tra questi sembra particolarmente interessante la possibilità che esista un particolare tipo di particella, simile ai portatori di interazione delle forze note (come ad esempio il fotone per quella elettromagnetica), che faccia da “ponte” o “portale” tra le particelle “oscure” del nuovo tipo di materia e la materia ordinaria del Modello Standard, tramite una nuova, debolissima forza. Un modo per studiare questo tipo di fotone “oscuro” è quello di cercarne la produzione nelle annichilazioni di elettroni e anti-elettroni (i positroni) in coppie di fotoni, per trovare eventi in cui uno dei due sia del tipo oscuro.
PADME è un nuovo esperimento che si prefigge di cercare questo tipo di eventi tramite la ricostruzione accurata dell’energia e impulso mancanti nel bilancio tra lo stato iniziale, costituito appunto dalla coppia elettrone-positrone, e quello finale in cui viene rivelato solo il fotone ordinario. A questo scopo, il rivelatore principale è un cosiddetto calorimetro, ovvero un apparato in grado di misurare con grande precisione l’energia elettromagnetica depositata, garantendo al tempo stesso la determinazione della direzione delle particelle che lo colpiscono.
Per effettuare questa ricerca, PADME utilizza i positroni prodotti nella Beam Test Facility.
Allo scopo di produrre un numero ottimale di interazioni che producono fotoni oscuri rispetto al fondo costituito dagli eventi dovuti alla “normale” interazione elettromagnetica, un fascio di positroni deve essere diretto con grande accuratezza (per quanto riguarda la direzione di incidenza e il punto di impatto) su un bersaglio costituito dagli elettroni degli atomi di un materiale molto sottile e leggero. Nel nostro caso il materiale scelto è il Carbonio di un diamante sintetico che a sua volta può essere utilizzato come un rivelatore.
Tutto l’apparato sperimentale deve essere in vuoto, per minimizzare le interazioni con le molecole dell’aria. Inoltre, è necessario un campo magnetico al fine di:
- allontanare dal calorimetro il fascio di positroni che non hanno prodotto annichilazioni
- permettere di escludere gli eventi in cui i positroni interagiscono con il bersaglio producendo solo un fotone per irraggiamento (la cosiddetta radiazione di “frenamento” o radiazione di Bremsstrahlung).
Il campo magnetico, della giusta intensità e sul volume richiesto da PADME, viene prodotto da un magnete reso disponibile dal CERN di Ginevra.
L’esperimento ha effettuato la prima raccolta dati nel periodo ottobre 2018 – febbraio 2019. I dati acquisiti sono ancora in fase di analisi per completare la calibrazione di tutte le componenti del rivelatore. Per effettuare la misura prevista da PADME con la precisione necessaria occorrerà analizzare gli eventi corrispondenti a 1013 annichilazioni di positroni sul bersaglio. Per farlo saranno necessari circa 2 anni di acquisizione.
Approfondimento “PADME: come funziona”
Articolo tratto da Asimmetrie “Il Lato oscuro” di Mauro Raggi