I risultati sperimentali del rivelatore di materia oscura XENON1T limitano la dimensione effettiva delle particelle di materia oscura a 4,1X10-47 centimetri quadrati—un trilionesimo di un trilionesimo di centimetro quadrato—il limite più rigoroso mai determinato per la materia oscura come stabilito dalla normativa mondiale rivelatore più sensibile.

I risultati, presentato lunedì in un seminario in Italia presso i Laboratori Sotterranei del Gran Sasso (LNGS), sono stati prodotti utilizzando un volume target attivo di 1, 300 chilogrammi di xeno, la prima ricerca di materia oscura che ha monitorato l'equivalente di una tonnellata di xeno per un anno intero.

"Ora abbiamo il limite più stretto per quella che è nota come 'sezione d'urto del nucleone WIMP, ' che è una misura della dimensione effettiva della materia oscura, o quanto fortemente interagisce con la materia normale, " ha detto Ethan Brown, un membro della collaborazione XENON, e assistente professore di fisica, fisiche applicate, e astronomia al Rensselaer Polytechnic Institute. "Con questi risultati, ora abbiamo testato molti nuovi modelli teorici della materia oscura e posto i vincoli più forti su questi modelli fino ad oggi".

La materia oscura è teorizzata come uno dei costituenti fondamentali dell'universo, cinque volte più abbondante della materia ordinaria. Ma poiché le particelle di materia oscura note come "particelle massicce che interagiscono debolmente, " o "WIMP, "non può essere visto e raramente interagisce con la materia ordinaria, la loro esistenza non è mai stata confermata.

Diverse misurazioni astronomiche hanno confermato l'esistenza della materia oscura, portando a uno sforzo mondiale per osservare direttamente le interazioni delle particelle di materia oscura con la materia ordinaria. Fino ad oggi, le interazioni si sono rivelate così deboli da essere sfuggite al rilevamento diretto, costringendo gli scienziati a costruire rivelatori sempre più sensibili.

Dal 2002, la collaborazione XENON, incorporando 165 scienziati provenienti da 12 paesi, ha operato tre rivelatori di xeno liquido successivamente più sensibili in LNGS in Italia, e XENON1T è la sua impresa più potente fino ad oggi e il più grande rivelatore di questo tipo mai costruito. Le interazioni delle particelle nello xeno liquido creano minuscoli lampi di luce, e il rivelatore ha lo scopo di catturare il lampo dalla rara occasione in cui una particella di materia oscura si scontra con un nucleo di xeno.

I risultati analizzano 279 giorni di dati, secondo Elena Aprile, professore alla Columbia University e capo progetto. Durante quel periodo, solo due eventi di fondo erano previsti nell'intimo, regione più pulita del rivelatore. Però, non sono stati rilevati eventi, suggerendo che le particelle di materia oscura devono essere ancora più piccole di quanto si pensasse in precedenza. Una parte dell'analisi dei dati è stata condotta presso Rensselaer, come scienziati di istituti collaborativi di tutto il mondo si sono riuniti presso l'Istituto alla fine del 2018 per rivedere i dati e finalizzare le routine di analisi che eliminerebbero le informazioni irrilevanti dai dati raccolti.

La sensibilità del rivelatore è funzione delle sue dimensioni e del suo "silenzio". Sebbene le interazioni con la materia oscura siano rare, le interazioni con altre forme di materia sono comuni, e un rilevatore sensibile è progettato per ridurre al minimo tali interazioni. Per proteggerlo dalla radioattività naturale nella caverna, il rivelatore (una cosiddetta camera di proiezione temporale allo xeno liquido) si trova all'interno di un criostato immerso in un serbatoio d'acqua. Una montagna sopra il laboratorio sotterraneo protegge ulteriormente il rivelatore dai raggi cosmici.

Anche con la schermatura dal mondo esterno, i contaminanti penetrano nello xeno dai materiali utilizzati nel rivelatore stesso e, tra i suoi contributi, Brown è responsabile di un sofisticato sistema di purificazione che pulisce continuamente lo xeno nel rivelatore. Poiché le dimensioni dei rivelatori sono cresciute, così come la complessità del sistema di purificazione:non solo c'è più xeno da pulire, ma deve essere mantenuto più pulito in modo che la luce e la carica possano spostarsi attraverso il maggior volume del rivelatore. Nella fase attuale, Brown ha detto che la sua squadra "si è ampliata, aggiungendo più pompe e più depuratori" al sistema.

"Il nostro lavoro ha mantenuto un alto livello di purezza per la più grande quantità di xeno nel più lungo periodo di tempo di sempre, " ha detto Brown. "È un risultato che consente ad altri esperimenti di basarsi sulle prestazioni di questo sistema di purificazione".

Nella fase successiva, Brown introdurrà una nuova soluzione, una pompa di nuova concezione costruita con parti ultra pulite nel suo laboratorio a Rensselaer in collaborazione con ricercatori di Stanford e della Muenster University in Germania. Laddove le pompe attuali contribuiscono da un terzo alla metà del radon totale nell'esperimento, le nuove pompe saranno essenzialmente prive di radon, rimuovendo uno dei maggiori contributi allo sfondo.