Alla scoperta del lato oscuro dell’universo: il Gssi in prima linea per il nuovo progetto di ricerca Cosinus
 
Questa la sfida di COSINUS, un nuovo esperimento per la ricerca diretta di Materia Oscura che ha da poco ricevuto il via libera alla costruzione presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS - INFN). Al GSSI lavorano al progetto COSINUS: Natalia Di Marco (responsabile italiana del progetto), Fernando Ferroni, Lorenzo Pagnanini, Andrei Puiu.

Abbondantissima nel nostro universo eppure di natura ancora ignota agli scienziati, la Materia Oscura è uno dei temi caldi della fisica astro-particellare contemporanea. Le ricerche in questo settore vengono condotte in tutto il mondo con diverse tecnologie: a terra, nei laboratori sotterranei e con agli acceleratori di particelle, e nello spazio, con esperimenti su satellite. Ma, ad oggi, nulla può essere ancora concluso sull’argomento.

La Collaborazione COSINUS si propone di contribuire ad aggiungere un importante tassello nel panorama mondiale delle ricerche in questo settore.

“COSINUS ci sta offrendo un’incredibile opportunità di ricerca interdisciplinare“, afferma Natalia Di Marco, ricercatrice presso il GSSI e responsabile italiana dell’esperimento.

Il concetto alla base del progetto 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): COSINUS si propone di identificare l’interazione di una particella di materia oscura in un cristallo scintillante di ioduro di sodio.

L’idea è di portare il cristallo di ioduro di sodio a temperature prossime allo zero assoluto ( a -273°C). 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 – spiega Andrei Puiu, ricercatore al GSSI – Il nostro sensore di temperatura è stato sviluppato a partire da quello utilizzato nell’esperimento CRESST presso i LNGS”.

La fase di ricerca e sviluppo del rivelatore così concepito è stata portata avanti con successo dal 2016 al 2019 grazie ad un finanziamento di 289.000 € assegnato alla Schäffner – al tempo ricercatrice al GSSI - dalla Commissione Scientifica Nazionale V dell’INFN.
I risultati ottenuti hanno portato alla nascita di una Collaborazione tra Germania, Italia, Austria e Cina che ha sviluppato la proposta per la realizzazione dell’esperimento vero e proprio.

E’ sotto i 1400 metri di roccia del massiccio del Gran Sasso, che verrà costruito l’apparato sperimentale. “I LNGS sono un posto unico al mondo: solo qui è possibile realizzare esperimenti così sensibili e tecnologicamente all’avanguardia” afferma Florian Reindl, oggi spokesperson della Collaborazione COSINUS. “LNGS e GSSI ospitano ricercatori esperti nell’uso di cristalli operanti a temperature prossime allo zero assoluto grazie all'esperienza maturata lavorando in vari esperimenti basati sulle tecniche bolometriche” aggiunge Lorenzo Pagnanini, ricercatore al GSSI.

“Sin dal 2019 siamo riusciti a coinvolgere nel nostro progetto esperti di varie istituzioni e diverse discipline tra cui la fisica dello stato solido. Utilizzare i cristalli di ioduro di sodio a temperatura criogenica è infatti una sfida tecnologica che richiede competenze trasversali a quelle di noi fisici astroparticellari” aggiunge Natalia di Marco che coordina la collaborazione dei vari partner italiani. Gli studi teorici e gli esperimenti sul cristallo di ioduro di sodio per capire a fondo i meccanismi di trasporto del calore e per prevederne il comportamento sono infatti condotti dal team di Adriano Filipponi, del Dipartimento di Scienze Fisiche e Chimiche dell’Università degli Studi dell’Aquila.

La costruzione dell’esperimento avverrà nel corso del 2021, l’inizio della presa dati è atteso nel 2022 e i primi risultati sperimentali nel 2023. L’apparato 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 dell’apparato 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 sviluppati e testati dai ricercatori del Max Planck di Monaco, dell’INFN e del GSSI. Lo sviluppo dell’elettronica dell’esperimento è invece affidata all’Istituto HEPHY di Vienna mentre la produzione dei cristalli avviene in Cina.

La realizzazione dell’esperimento avverrà grazie all’impegno della Max Planck Society (Germania), che contribuisce al progetto con un finanziamento complessivo di 3 milioni di euro, dell’INFN con in particolare i LNGS che contribuiscono sia in termini di risorse che di infrastrutture in Italia, e dell’Istituto HEPHY in Austria. Alla Collaborazione si è recentemente unito l’Helsinki Institute of Physics (Finlandia).