Il 2022 inizia con un nuovo importante risultato nella ricerca della materia oscura, ottenuto da una collaborazione internazionale presso l’esperimento DEAP-3600, situato allo SNOLAB, in Canada, e che ha visto tra i suoi protagonisti anche l’assegnista di ricerca dell’Università di Cagliari e INFN Cagliari Michela Lai.
La materia oscura è una forma di materia che, si ipotizza, costituisca più di tre quarti di tutta la materia dell’Universo. Non è visibile a occhio nudo e con nessun telescopio o antenna, ma, avendo una massa, esercita la sua attrazione gravitazionale su gas e polveri che osserviamo nelle galassie, determinandone la struttura e i moti. Non possiamo vedere le particelle di materia oscura (perché non emettono luce), ma sembra che queste, sotto opportune condizioni, ci possano fornire una prova della loro esistenza. Infatti, l’urto della materia oscura contro atomi pesanti di elementi nobili come l’argon, produce un segnale luminoso unico, caratteristico, ma estremamente flebile che solo con rivelatori ultrasensibili possiamo misurare. Questo è proprio il caso del rivelatore DEAP-3600.
L’esperimento canadese è situato a 2 km sotto la superficie terrestre e contiene al suo interno un grande pentolone con 3,3 tonnellate di argon liquido ad una temperatura di circa -180° Celsius. È il più voluminoso rivelatore di materia oscura attualmente in azione al mondo. Grazie al lavoro di più di 100 scienziati sparsi in 25 istituti di ricerca, i suoi dati hanno permesso negli ultimi anni di escludere diversi possibili tipi o “modelli” di materia oscura, specialmente quelli che prevedevano l’esistenza di particelle oscure leggerissime, di massa pari a circa quella di 100 atomi di idrogeno.
Le misure sperimentali e un’innovativa analisi dei dati ottenuti hanno condotto la collaborazione scientifica di DEAP-3600 alla ricerca di particelle di materia oscura con una massa molto grandi, pari a 22 mg, circa il peso di un granello di sabbia: si tratta della più grande massa mai ipotizzata per una particella elementare. Dopo circa tre anni di presa dati, l’analisi accurata dei risultati sperimentali condotta grazie al contributo dell’assegnista di ricerca dell’Università di Cagliari Michela Lai ha portato ad escludere anche questo “profilo” di materia oscura che fino ad oggi nessuno era riuscito a investigare.
L’analisi è stata il risultato di una collaborazione affiatata tra tutti i partner. Nello specifico, ha visto principalmente coinvolte l’Università di Carleton (Ottawa, Canada), il centro di ricerca canadese TRIUMF, l’Università di Cagliari e l’INFN Cagliari. Qui in particolare hanno giocato un ruolo fondamentale Michela Lai e Shawn Westerdale, già assegnista di ricerca presso l’INFN, sotto la supervisione del Dr. Walter Bonivento, leader dei gruppi DarkSide e DEAP a Cagliari.
La ricerca ha occupato la ricercatrice Lai per buona parte del suo dottorato di ricerca, svolto tra l’Università di Parigi Diderot e l’Università degli Studi di Cagliari e finanziato dall’INFN Cagliari e si è concluso nel 2021 con la pubblicazione dell’analisi dati raccolti dall’esperimento DEAP in una delle più autorevoli riviste nel settore, Physical Review Letters (PRL).
“Effettuare questa analisi” – ci racconta Michela – “vederla nascere, portarla avanti durante il dottorato, e infine vederne riconosciuto il valore con la sua pubblicazione su PRL è stata una meravigliosa soddisfazione. Mi ha ricordato perché amo la ricerca, e perché continuerò a farla, ovunque mi porti. Il nostro è stato un lavoro di squadra, una squadra affiatata e appassionata. Una squadra internazionale ed eterogenea, tra dottorandi, ricercatori, teorici e sperimentali e, forse, proprio per questo, straordinariamente funzionale.”
La ricerca pone le basi degli sviluppi futuri nella ricerca della materia oscura condotti attraverso la colonna di distillazione dell’argon denominata ARIA. La colonna di distillazione è installata in Sardegna, presso la miniera di Seruci, e la sua realizzazione sarà funzionale ai futuri studi presso i laboratori nazionali del Gran Sasso all’interno della collaborazione Darkside-20k che vede la collaborazione internazionale tra la sezione di Cagliari dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, l’Università di Cagliari, la Regione Sardegna, la Carbosulcis, la Princeton University, il CERN, l’Università di Sassari, il Politecnico di Milano, il Fermi National Laboratory, l’ENEA, l’Istituto ITIM di Cluj Napoca (Romania) e altri numerosi istituti ed università.