L'universo ha un'età di oltre 13 miliardi di anni, un tempo talmente lungo che può sfuggire alla percezione umana. Eppure, questo intervallo di tempo è estremamente breve se paragonato a quello tipico di alcuni processi fisici.

L'esperimento XENON1T, impegnato nella ricerca diretta di materia oscura ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), ha pubblicato su Nature un nuovo studio che riporta la prima misura diretta della cosiddetta doppia cattura elettronica (2νECEC) dell'isotopo xenon-124.

Si tratta del processo di decadimento più raro mai osservato in modo diretto, la cui vita media è ben mille miliardi di volte maggiore dell'età dell'universo. Questi nuovi risultati forniranno informazioni utili non solo per i modelli sulla struttura nucleare ma anche per altri esperimenti che studiano processi rari.

"Essere riusciti a osservare in modo diretto un decadimento così raro, – spiega Elena Aprile, professoressa della Columbia University, a capo della collaborazione XENON – e in una regione di energia diversa da quella della ricerca di materia oscura per la quale è ottimizzato XENON1T, conferma in modo inequivocabile le grandi potenzialità del nostro rivelatore."

"La grande attenzione dedicata in fase di progetto e costruzione a ridurre il fondo radioattivo naturale dello strumento – sottolinea Marco Selvi, responsabile nazionale INFN dell'esperimento – si rivela nuovamente fondamentale per riuscire a osservare processi rari, addirittura al di là degli obiettivi principali per cui è stato progettato il nostro esperimento".

Questi nuovi risultati, infatti, potranno permettere di fornire informazioni sulla struttura dei nuclei, utili anche per gli esperimenti che cercano altri decadimenti rari, come il "decadimento doppiobeta senza neutrini" (0ν2beta). Tale ricerca, in cui l'INFN e i Laboratori Nazionali del Gran Sasso sono protagonisti a livello mondiale, può portare a svelare la natura e la massa del neutrino, una delle particelle più interessanti dell'attuale panorama sperimentale.

La misura di XENON1T

La vita media o tempo di dimezzamento di un nucleo esprime la probabilità che esso si trasformi attraverso un processo di decadimento. Gli scienziati dell'esperimento XENON1T hanno misurato per la prima volta in modo diretto, con una significatività statistica di 4,4 sigma, un particolare processo dello xenon-124 chiamato, appunto, doppia cattura elettronica, in cui esso si trasforma in tellurio-124. Due protoni del nucleo di xenon catturano simultaneamente due elettroni del primo livello circostante, trasformandosi in due neutroni, con l'emissione di due neutrini. La nuvola elettronica reagisce alla mancanza dei due elettroni catturati con un processo a cascata, che porta all'emissione di una quantità di energia fissa. Nel caso dello xenon, questa energia corrisponde a circa 64 keV. La misura consiste quindi nel cercare un eccesso di eventi con energia pari a quella attesa, rispetto al fondo pressoché costante in energia presente nel rivelatore. Utilizzando una massa interna di xenon pari a 1,5 tonnellate, e un tempo di acquisizione dati pari a circa 180 giorni, sono stati osservati 126 eventi nella regione di energia attesa. Questi risultati hanno portato a misurare un tempo di dimezzamento per il processo di doppia cattura elettronica pari a 1,8 x 1022 anni, il più lungo mai osservato in modo diretto. È stato possibile realizzare questa sofisticata misura grazie alla grande massa del rivelatore e quindi al gran numero di nuclei dell'isotopo xenon-124, e grazie al forte abbattimento del fondo radioattivo naturale.

La tecnica sperimentale di XENON1T

Si basa su una camera a proiezione temporale a xenon liquido/gassoso: è un rivelatore cilindrico, di circa un metro di diametro e altezza, riempito di xenon liquido alla temperatura di -95 °C, con una densità tre volte maggiore di quella dell'acqua. In XENON1T la prova dell'interazione di una particella con un nucleo di xenon è data da un debole lampo di luce di scintillazione accompagnato da una "manciata" di elettroni, i quali a loro volta sono convertiti in un lampo di luce una volta raggiunta la regione di xenon gassoso. Entrambi i segnali luminosi sono registrati grazie a fotosensori ultrasensibili, e permettono di ottenere l'informazione sulla posizione 3D e l'energia evento per evento. Nello sviluppo di questo particolare tipo di rivelatori per la ricerca di eventi rari è necessario superare molte sfide sperimentali. Prima e più rilevante è la riduzione del fondo proveniente da diverse sorgenti, dalla radioattività dei materiali fino ai raggi cosmici. XENON1T ha come principale obiettivo scientifico la ricerca diretta di materia oscura sotto forma di WIMP (particelle massive debolmente interagenti), ed è attualmente il rivelatore più grande mai realizzato per questo scopo, con una massa sensibile di 2 tonnellate di xenon, e allo stesso tempo presenta il più piccolo fondo mai ottenuto. Grazie a queste caratteristiche dal 2017 è l'esperimento più sensibile per la ricerca di WIMP.

La sua grande massa ed elevata purezza fanno sì che XENON1T sia molto sensibile anche in una regione di energia molto diversa da quella dove si ricerca la materia oscura. Solitamente nella ricerca di WIMP ci si concentra nella regione di energie inferiori a 10 keV, mentre il segnale dello studio appena pubblicato si trova a 64 keV. Utilizzando entrambi i segnali (emissione di luce ed elettroni) dovuti all'interazione, si è ottenuta una precisione nella ricostruzione dell'energia estremamente buona, fondamentale per riconoscere la segnatura del processo.

XENON1T ha acquisito dati di alta qualità fino alla fine del 2018. Ora la ricerca proseguirà con il progetto XENONnT: un upgrade tecnologico dello stesso rivelatore che consentirà un incremento della massa sensibile di un fattore tre e un'ulteriore riduzione del fondo di un ordine di grandezza. XENONnT sarà pronto entro la fine del 2019 per iniziare una nuova esplorazione della materia oscura e di altri processi rari, con un livello di sensibilità circa 10 volte migliore di quello attuale.

Il contributo italiano

I gruppi INFN, coordinati da Marco Selvi, della sezione INFN di Bologna, e guidati da Gabriella Sartorelli (Università di Bologna), Walter Fulgione (INFN-LNGS) e Giancarlo Trinchero (INFN-Torino), fanno parte del progetto XENON1T fin dal suo inizio, nel 2009. Sono responsabili del progetto, costruzione e funzionamento del sistema di veto di muoni, all'interno dello schermo di acqua, che è cruciale per la riduzione dei fondi ambientali e di quelli dovuti alla radiazione cosmica residua. Hanno progettato e realizzato le varie infrastrutture presso i LNGS, e guidano il gruppo di simulazione Monte Carlo per la predizione e ottimizzazione delle prestazioni del rivelatore, e per il calcolo delle varie sorgenti di fondo. Sono anche coinvolti in diversi aspetti dell'analisi dati che ha portato a questi risultati di XENON1T. Con l'aggiunta dei gruppi delle sezioni INFN di Napoli e Ferrara, guidati rispettivamente da Michele Iacovacci e Guido Zavattini, i gruppi italiani sono coinvolti anche nell'attuale estensione del progetto, con il rivelatore XENONnT in fase di costruzione presso i LNGS. In particolare, sono responsabili della simulazione Monte Carlo e della progettazione e realizzazione di un nuovo rivelatore di veto per i neutroni. Partecipano, inoltre, alla purificazione dello xenon, e alla realizzazione dell'infrastruttura di calcolo dell'esperimento.