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Il rilevatore XENONnT offre uno sguardo senza precedenti su una delle interazioni più rare della natura. “Siamo entrati in un’epoca in cui possiamo vedere cose che prima erano fuori dalla nostra portata”.
Ogni secondo, decine di miliardi di neutrini prodotti dalla fusione nucleare nel Sole attraversano ogni centimetro quadrato della Terra – e attraverso i nostri corpi – quasi senza interagire con nulla.
Sebbene siano tra le particelle più abbondanti emesse dal Sole, le loro interazioni estremamente deboli rendono la rilevazione di queste particelle sfuggenti una delle più grandi sfide sperimentali nella fisica delle particelle.
Durante un seminario ospitato dai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare d’Italia, la Collaborazione XENON ha annunciato la prima osservazione di neutrini solari a bassa energia che diffondono elettroni nel rivelatore XENONnT.
La misurazione estende il confine delle osservazioni dirette dei neutrini fino a energie di circa 17 keV, la soglia di energia neutrino più bassa mai raggiunta.
Il segnale rilevato è dominato dai neutrini pp, prodotti nelle reazioni di fusione protone–protone che alimentano il Sole e rappresentano la stragrande maggioranza delle sue emissioni di neutrini.
La collaborazione internazionale XENON è alla ricerca di materia oscura dal 2006. Include scienziati provenienti da 30 istituzioni di tutto il mondo, incluso il team del Prof. Ranny Budnik del Dipartimento di Fisica delle Particelle e Astrofisica presso il Weizmann Institute of Science.
XENONnT è stato originariamente progettato per la ricerca diretta di materia oscura di particelle nella nostra galassia.
Nel suo cuore si trova una Camera di Proiezione del Tempo a doppio xeno contenente 5,9 tonnellate di xeno liquido ultra-puro, installata al LNGS, a 1.400 metri sotto il massiccio del Gran Sasso.
Il rivelatore è circondato da rivelatori di Cherenkov ad acqua che identificano e respingono muoni e neutroni di raggi cosmici, ed è in grado di ricostruire i minuscoli lampi di luce e segnali di ionizzazione prodotti quando una particella interagisce con il bersaglio allo xeno.
Osservare questo debole segnale di neutrini a bassa energia a 5σ – la significanza statistica convenzionalmente usata nella fisica delle particelle per rivendicare una scoperta – ha richiesto non solo di ridurre i fondi del rivelatore a livelli di purezza senza precedenti, ma anche di quantificarli con precisione.
La sfida dominante deriva da tracce di radon radioattivo costantemente rilasciate dai materiali rivelatori.
Nel corso di molti anni, la Collaborazione XENON ha introdotto tecniche per sopprimere questo background attraverso un ampio screening dei materiali e un sistema di distillazione criogenica online dedicato che rimuove continuamente il radon dallo xeno.
La collaborazione ha identificato e limitato ogni contributo di fondo rilevante a tassi eccezionalmente bassi, inclusi decadimento beta da isotopi di piombo e krypton, contributi minori da raggi gamma indotti dal materiale, così come altri componenti sottodominanti.
Il risultato amplia ulteriormente la portata scientifica di XENONnT. A seguito della recente osservazione della diffusione coerente elastica neutrino–nucleo da neutrini solari ad energia più elevata, questa nuova misura dimostra che lo stesso rivelatore può sondare aspetti complementari della fisica dei neutrini, continuando la sua ricerca primaria della materia oscura.
XENONnT sta quindi emergendo come uno degli osservatori più sensibili al mondo per le rare interazioni di particelle a bassa energia.
La misura si basa anche su una lunga tradizione di ricerca sui neutrini solari presso il LNGS. GALLEX/GNO fornì le prime misurazioni del flusso di neutrini solari a bassa energia utilizzando tecniche radiochimiche, mentre Borexino fu pioniere nella spettroscopia in tempo reale delle singole interazioni solari con una soglia di energia neutrino di 335 keV. XENONnT ora estende questa eredità, abbassando la soglia di energia solari dei neutrini a 17 keV.
Oltre a questo risultato, XENONnT offre uno sguardo sul futuro della fisica degli eventi rari. Le tecnologie sviluppate per costruire e far funzionare uno dei rivelatori di particelle più puliti stanno gettando le basi per la prossima generazione di osservatori allo xeno liquido.
L’esperimento XLZD pianificato, con una massa bersaglio di un ordine di grandezza superiore a XENONnT, mira ad estendere la ricerca della materia oscura alle sensibilità più alte mai raggiunte e a misurare i neutrini solari a bassa energia con eccezionale precisione, aprendo nuove opportunità nella fisica dei neutrini e nello studio di altri processi estremamente rari.
“Questa osservazione di neutrini solari a bassa energia dimostra come i progressi guidati dalla ricerca della materia oscura stiano aprendo finestre completamente nuove sull’universo”, ha dichiarato Elena Aprile, professoressa alla Columbia University e portavoce della XENON Collaboration.
“Dimostra che le tecnologie originariamente sviluppate per osservare alcune delle interazioni più rare in natura ci stanno ora permettendo di esplorare questioni fondamentali ben oltre i loro obiettivi scientifici originari.”
Dice Budnik del Weizmann Institute, che, oltre al suo ruolo di ricerca, fa parte del comitato editoriale della collaborazione: “Questa misurazione è, da un lato, un’opportunità nata dall’eccezionale sensibilità e dai background estremamente bassi che abbiamo raggiunto nella nostra ricerca della materia oscura. Allo stesso tempo, però, la fisica degli eventi rari, inclusi i neutrini, sta diventando per noi sempre più un bersaglio scientifico a sé stante, con risultati affascinanti come quelli che stiamo presentando ora e altri ancora in arrivo.
“Siamo entrati in un’epoca in cui possiamo vedere cose che prima erano fuori dalla nostra portata, ed è sempre affascinante scoprire cosa ci aspetta lì – se sia ciò che ci aspettavamo di trovare o, ancora più intrigante, qualcosa che non ci aspettavamo affatto.”
