PADME è il nuovo esperimento italiano che cerca la quinta forza fondamentale

PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment) sarà condotto presso i Laboratori Nazionali di Frascati​ e potrebbe aprire una porta sul settore oscuro dell'universo.
Immagine per gentile concessione di Paolo Valente.

Le quattro forze fondamentali che permettono di descrivere i fenomeni fisici sono l'interazione gravitazionale, elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. Secondo alcune teorie che potrebbero spiegare una serie di anomalie della teoria del Modello Standard, una quinta forza connetterebbe la materia ordinaria e la materia oscura. A questa quinta forza sarebbe associata una particella che prende il nome di fotone oscuro o fotone ”pesante” e la caccia per rilevarne le tracce è iniziata in Italia.

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L'esperimento che se ne occupa è stato battezzato PADME (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment), si svolge presso la Beam-Test Facility dei Laboratori Nazionali di Frascati ed è stato costruito dall’INFN di Roma, Frascati, Lecce e dalle Università Sapienza e Tor Vergata di Roma, e Università del Salento. L'esperimento è stato avviato il 4 ottobre, resterà in funzione fino a gennaio 2019 e poi ricomincerà a raccogliere dati nel corso dell'anno. I primi risultati saranno disponibili alla fine del 2019.

Come mi ha spiegato via mail e al telefono Paolo Valente, ricercatore dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), si tratta di "un esperimento di 'nicchia,' che esplora una particolare idea teorica, con uno schema semplice e con un apparato sperimentale molto meno grande dei rivelatori di LHC.” Quindi può essere condotto anche in un laboratorio italiano di medie dimensioni, ma ha già attirato anche ricercatori da altri paesi, grazie alle competenze del complesso di acceleratori di Frascati. Il progetto sfrutta inoltre un rivelatore di fotoni estremamente sensibile, creato riciclando oltre 600 cristalli scintillanti da un esperimento condotto dall’INFN negli anni Novanta al CERN.

Dato che la mia mente vacilla quando si parla di materia oscura, ho chiesto a Valente di spiegarmi l'esperimento prendendola molto alla larga. ”Una grande parte del contenuto dell’Universo è di natura sconosciuta: meno del 5% è riconducibile alla materia che conosciamo (gli atomi), mentre il 70% viene da una forza repulsiva misteriosa che provoca l’espansione accelerata (la cosiddetta energia oscura). Il rimanente 25% circa è costituito da materia che interagisce gravitazionalmente ma non elettromagneticamente (senza interagire con i fotoni) e quindi è 'oscura',” mi ha spiegato Valente.

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Immagine del Beam-Test Facility dei Laboratori Nazionali di Frascati per gentile concessione di Paolo Valente.

”La materia oscura potrebbe essere costituita da un nuovo tipo di particella, molto più pesante di quelle conosciute. Non essendo stata ancora osservata nessuna particella di questo tipo all’LHC, un’idea alternativa è quella di una materia oscura costituita da particelle leggere che interagiscono molto flebilmente con la materia ordinaria. In particolare, un fotone con una massa piccola ma diversa da zero potrebbe 'mescolarsi' con il fotone ordinario da una parte e accoppiarsi con le particelle del settore oscuro dall’altra,” ha aggiunto Valente. ”In altre parole, la materia oscura non sarebbe stata rivelata non perché la sua massa è molto grande, ma perché si accoppia con le particelle standard con una forza 'super-debole,' mediata dal fotone oscuro.”

”Tramite il suo debole accoppiamento con la materia ordinaria, il fotone oscuro può trasformarsi in un fotone ordinario e quindi decadere in una coppia elettrone-antielettrone (positrone). Questo processo può anche essere invertito: nelle annichilazioni positrone-elettrone, uno dei due fotoni standard prodotti può trasformarsi in un fotone oscuro,” e il principio dell'esperimento si basa proprio su questo ha spiegato il ricercatore. ”PADME utilizza un fascio di positroni di energia ben conosciuta che collidono con gli elettroni fermi di un bersaglio, in modo che l’energia a disposizione sia nota: la comparsa di un fotone oscuro (al posto di uno ordinario) porterà via una frazione ben determinata dell’energia, pari alla sua massa.

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Se si misura con precisione l’energia del fotone “superstite” si può stabilire se è stata prodotta un’altra particella, anche se questa è invisibile, a una ben determinata massa.”

Il LINAC di Frascati, infatti, produce ed accelera degli anti-elettroni (i positroni), che produrranno eventi di annichilazione con gli elettroni di un bersaglio di diamante sintetico. Il bersaglio ha uno spessore di 1/10 di mm e consente di monitorare l’intensità, le dimensioni e la posizione del fascio di particelle. I risultati dell'esperimento potrebbero avere conseguenze importanti sulla comprensione della materia oscura, mi ha spiegato Valente, ”se si trovasse un picco significativo nella massa mancante, sarebbe la scoperta di una particella non conosciuta che, oltre a dare forza al modello del settore oscuro, indicherebbe la massa del mediatore, permettendo quindi di iniziare a studiarne le proprietà e, con esperimenti più sensibili, i decadimenti e gli accoppiamenti in particelle oscure e non. Insomma sarebbe una porta che si apre sul settore oscuro, permettendo per la prima volta di intuirne il contenuto. Viceversa un risultato negativo escluderebbe con molta più forza rispetto al passato questa ipotesi, trattandosi di un esperimento che ha la sensibilità per rivelare tali particelle (almeno fino a 24 MeV di massa.)”

”Se l’accoppiamento del fotone oscuro fosse più piccolo di quanto rilevabile con i dati accumulati, una possibilità è quella di utilizzare l’acceleratore circolare di Frascati come 'serbatoio' per diluire e allungare il fascio dell’acceleratore lineare, in modo da ottenere impulsi di positroni fino a 1000 volte più lunghi ed intensi. Per aumentare invece l’intervallo di massa esplorabile fino a circa 80 MeV, abbiamo proposto di realizzare ed utilizzare una nuova linea di fascio con positroni di energia 12 volte superiore, estraendoli dal sincrotrone dell’Università di Cornell, nello stato di New York,” ha concluso il ricercatore.

Come sempre in questi casi, non ci resta che aspettare i risultati dell'esperimento per capire quale direzione prenderà la ricerca.

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