XENONnT apre una nuova finestra sui neutrini solari a bassa energia
Roma, 31 ago. (askanews) – Oggi nel corso di un seminario ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN (LNGS), la collaborazione XENON ha annunciato la prima osservazione dello scattering elastico di neutrini solari a bassa energia su elettroni nel rivelatore XENONnT. Il risultato, sottomesso alla rivista Physical Review X e già disponibile sul sito di XENON, porta la soglia delle osservazioni dirette dei neutrini solari fino a circa 17 keV, aprendo una nuova finestra sullo studio dei neutrini prodotti nel Sole.
Ogni secondo, decine di miliardi di neutrini prodotti dalle reazioni di fusione nucleare nel Sole attraversano la Terra e il nostro corpo, quasi senza interagire con la materia, caratteristica che li rende estremamente difficili da rivelare. Nello scattering elastico, un neutrino interagisce con un elettrone e gli trasferisce una piccola parte della propria energia, producendo un segnale estremamente debole. XENONnT ha raggiunto una sensibilità sufficiente per distinguere questo segnale dal fondo e osservare i neutrini solari in una regione di energia finora inaccessibile con questa tecnica. Il segnale osservato è dominato dai “neutrini pp”, ovvero prodotti nelle reazioni di fusione protone-protone che alimentano il Sole e costituiscono la grande maggioranza del flusso di neutrini solari.
Una sensibilità di questo livello richiede un controllo estremamente accurato degli eventi di fondo, ed è proprio questa una delle caratteristiche che XENONnT ha sviluppato per la ricerca diretta della materia oscura, obiettivo originario dell’esperimento. Il cuore del rivelatore è una camera a proiezione temporale (Time Projection Chamber, TPC) a doppia fase contenente 5,9 tonnellate di xenon ultra-puro, installata ai LNGS sotto 1400 metri di roccia. Quando una particella interagisce nello xenon, produce una piccolissima quantità di luce e di ionizzazione, cioè elettroni liberi, che la TPC raccoglie per ricostruire le caratteristiche dell’interazione. La profondità del laboratorio e un sistema di rivelatori Cherenkov ad acqua, che identifica e filtra muoni cosmici e neutroni, contribuiscono a ridurre il fondo dovuto alla radiazione cosmica.
Il principale ostacolo alla rivelazione dei neutrini è però il fondo radioattivo, cioè l’insieme degli eventi non prodotti dai neutrini che possono imitare il segnale ricercato. Tra le sorgenti più importanti vi è il radon, continuamente rilasciato dai materiali che compongono il rivelatore. Nel corso degli anni, la collaborazione XENON ha sviluppato tecniche innovative per ridurre questo contributo, attraverso un’estesa selezione dei materiali e un sistema criogenico di distillazione capace di rimuovere costantemente il radon dallo xenon. Ha inoltre identificato e misurato sperimentalmente i diversi contributi al fondo residuo, inclusi i decadimenti beta di isotopi di piombo e krypton, i raggi gamma prodotti dai materiali e altre componenti più piccole.
Questa caratterizzazione dettagliata del fondo ha permesso di distinguere il segnale dei neutrini dal contributo delle altre sorgenti, portando l’osservazione a una significatività statistica di 5 sigma, il criterio convenzionalmente adottato nella fisica delle particelle per dichiarare una scoperta.
L’osservazione amplia così il potenziale scientifico di XENONnT, che si conferma uno degli osservatori più sensibili al mondo per lo studio delle interazioni rare di particelle a bassa energia. Dopo la recente osservazione dello scattering elastico coerente di neutrini solari su nuclei di xenon, questa nuova misura dimostra che lo stesso rivelatore può studiare anche l’interazione dei neutrini con gli elettroni, offrendo un canale complementare per esplorare la fisica dei neutrini solari.
Il risultato si inserisce nella lunga tradizione della ricerca sui neutrini solari ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, dove gli esperimenti GALLEX e GNO hanno realizzato le prime misure del flusso dei neutrini solari a bassa energia mediante tecniche radiochimiche, mentre Borexino ha aperto la strada alla spettroscopia in tempo reale delle singole interazioni dei neutrini solari, raggiungendo una soglia in energia di 335 keV, ora migliorata da XENON fino a 17 keV.
Il risultato di XENONnT offre anche uno sguardo sul futuro della fisica degli eventi rari. Le tecnologie sviluppate per costruire e operare l’esperimento – uno dei rivelatori di particelle più radiopuri mai realizzati – stanno infatti gettando le basi per la prossima generazione di osservatori allo xenon liquido. Il futuro esperimento XLZD, con una massa attiva circa dieci volte superiore a quella di XENONnT, punta a estendere la ricerca della materia oscura alle più elevate sensibilità mai raggiunte e a misurare i neutrini solari di bassa energia con una precisione senza precedenti, aprendo al tempo stesso nuove prospettive nello studio dei neutrini e di altri processi estremamente rari.
«L’osservazione di neutrini solari a bassa energia dimostra come i progressi tecnologici compiuti nella ricerca della materia oscura stiano aprendo nuove finestre sulla comprensione dell’Universo», afferma Elena Aprile, professoressa alla Columbia University e portavoce della collaborazione XENON.
«Questo risultato conferma come i grandi rivelatori allo xenon liquido stiano evolvendo da strumenti dedicati alla ricerca della materia oscura a veri e propri osservatori di eventi rari», conclude Marco Selvi, ricercatore della sezione INFN di Bologna e coordinatore dei gruppi INFN nella collaborazione XENON. «Le tecnologie sviluppate per XENONnT aprono oggi nuove prospettive sia per la fisica del neutrino sia per la prossima generazione di esperimenti».
La collaborazione XENON conta circa 200 scienziati, scienziate, studenti e studentesse di oltre 25 nazionalità diverse, provenienti da 30 istituzioni di tutto il mondo. La componente italiana, che include gruppi INFN delle sezioni di Bologna, Ferrara, Napoli, Torino, e dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, fa parte del progetto fin dal 2009 ed è responsabile della progettazione, costruzione e funzionamento del sistema di veto di muoni e neutroni all’interno dello schermo di acqua, cruciale per la riduzione dei fondi ambientali e dei materiali. Ha progettato e realizzato le varie infrastrutture presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, ed è coinvolta nella simulazione Monte Carlo per la predizione e ottimizzazione delle prestazioni del rivelatore e la stima delle varie sorgenti di fondo. Partecipa alla purificazione dello xenon e all’infrastruttura di calcolo dell’esperimento tramite il CNAF, il principale centro di calcolo dell’INFN, e ha contribuito a diversi aspetti dell’analisi dati che ha portato agli ultimi risultati dell’esperimento.
