È stato costruito a Lecce, dalla collaborazione scientifica tra ricercatori, tecnici e dottorandi del Dipartimento di Matematica e Fisica “Ennio De Giorgi” dell’Università del Salento e della locale sezione dell’INFN – Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, il “cuore” dell’esperimento “PADME” (Positron Annihilation into Dark Matter Experiment), che studierà le interazioni prodotte da positroni accelerati all’energia di 550 MeV dall’acceleratore lineare (LINAC) dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, alla ricerca della materia oscura. L’esperimento è stato inaugurato oggi, giovedì 4 ottobre 2018, con una cerimonia per festeggiare il passaggio dalla fase di test (commissioning) a quella di presa dati, e resterà in funzione per alcuni mesi, fino alla conclusione della prima fase di presa dati (Run 1). L’esperimento potrebbe svelare per la prima volta l’esistenza di una “nuova forza” a cui sarebbe associata una particella chiamata fotone oscuro, grazie a un apparato di misura piccolo, ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di antielettroni con gli elettroni del bersaglio.

Nei laboratori leccesi di UniSalento e INFN è stato costruito un innovativo rivelatore in diamante sintetico con lettura a strip che funge da “bersaglio attivo” dell’esperimento, fornendo una misura in tempo reale del profilo e dell’intensità del fascio. Questo dispositivo, il cui cuore è uno strato di diamante di grande area (2cm x 2cm) e piccolo spessore (100μm) prodotto dal partner industriale Applied Diamond (USA), è nato dalla cooperazione del gruppo di ricerca in Fisica sperimentale delle particelle (in particolare il Laboratorio di Rivelatori a stato solido) con il gruppo di ricerca in Fisica dello stato solido e radiazioni (LaserNanoLab). Questa collaborazione ha, inoltre, consentito di sviluppare una nuova tecnica per la realizzazione degli elettrodi basata sull’irraggiamento con luce laser della superficie del diamante per produrre strisce di grafite conduttive.

L’apparato Padme (particolare)

L’ipotesi teorica che PADME si propone di testare si è affermata nella comunità scientifica negli anni recenti in conseguenza della mancanza di indicazioni, dagli esperimenti condotti finora, sui possibili costituenti di questa forma di materia che chiamiamo oscura, che popola in maniera preponderante il nostro universo, ma di cui abbiamo solo evidenze gravitazionali. Anche gli esperimenti a LHC (al CERN di Ginevra), che hanno scoperto il bosone di Higgs, non hanno ancora individuato nessun segnale dell’esistenza di particelle di materia oscura nell’intervallo di massa che va delle centinaia di GeV fino al TeV. Ciò rafforza le motivazioni di esperimenti come PADME, che sono sensibili a bassi valori della massa di particelle correlate al problema della materia oscura.

Numerosi i ricercatori che da Lecce hanno contribuito e/o partecipano tutt’oggi all’esperimento PADME nelle varie attività di costruzione, caratterizzazione, integrazione meccanica ed elettronica, test, simulazione e analisi: Roberto Assiro, Gabriele Chiodini (referente del gruppo PADME locale nella collaborazione), Pietro Creti, Giuseppe Fiore, Angelo Innocente, Alessandro Miccoli (INFN), Anna Paola Caricato, Massimo Corrado, Francisco Gontad, Maurizio Martino, Carlo Pinto, Viviana Scherini, Stefania Spagnolo (INFN e Dipartimento di Matematica e Fisica UniSalento), Giuseppe Maruccio, Anna Grazia Monteduro (Dipartimento di Matematica e Fisica UniSalento e CNR-Nanotec). A questo nucleo si aggiunge il fondamentale contributo di energia, lavoro, competenza ed entusiasmo di giovani ricercatori, studenti di PhD e laureandi: Emanuele Alemanno, Emanuela Cianci, Mary De Feudis, Isabella Oceano, Federica Oliva (INFN e Dipartimento di Matematica e Fisica). Inoltre, tra gli ispiratori del concetto su cui si basa PADME, il Direttore della sezione INFN di Lecce, Fabio Bossi, all’epoca spokesperson dell’esperimento KLOE a LNF, che ha prodotto una delle prime campagne di ricerca del fotone oscuro.

“Questo importante contributo dei fisici leccesi all’esperimento PADME è reso possibile dalla presenza a Lecce di una Sezione dell’INFN e dalla stretta collaborazione, intensificata in questi ultimi anni, fra fisici provenienti da diversi settori”, sottolinea il professor Giovanni Mancarella, Direttore del Dipartimento di Matematica e Fisica “Ennio De Giorgi” dell’Università del Salento, “inoltre i servizi di supporto alla ricerca dell’Università e dell’INFN (calcolo, elettronica, meccanica e, non ultimo, amministrazione) hanno svolto e svolgeranno un ruolo fondamentale per il conseguimento dei risultati finali. Realizzazioni così significative sono possibili solo quando competenze diverse cooperano per la realizzazione di un obiettivo comune. Molti dei ricercatori che collaborano all’esperimento sono precari, giovani e meno giovani: è auspicio di tutti che il mondo della ricerca, e la nostra università in particolare, abbia risorse sufficienti per offrire opportunità a questi giovani ricercatori, che oggi contribuiscono a importanti imprese scientifiche internazionali”.

PADME: COME FUNZIONA

L’esperimento funziona grazie a un apparato di misura piccolo, ma estremamente preciso, in grado di osservare la produzione del fotone oscuro in collisioni di elettroni e anti-elettroni, chiamati positroni. PADME è installato nella sala sperimentale della struttura di test (BTF) dell’acceleratore lineare dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN che accelera positroni “sparandoli” su un sottile bersaglio di diamante. Interagendo con gli elettroni atomici, i positroni potrebbero produrre i “fotoni oscuri” assieme a un fotone visibile. I dati sono ricevuti tramite fibre ottiche da una batteria di computer e analizzati nella sala di controllo dove i ricercatori monitorano l’esperimento.

I positroni che non interagiscono con il bersaglio vengono poi allontanati dai rivelatori tramite il campo magnetico sviluppato da un magnete in prestito dal CERN di Ginevra. I fotoni vengono invece rilevati dal calorimetro di PADME, che è composto da circa 600 cristalli scintillanti inorganici. Grazie alla precisione della misura di energia e posizione del fotone visibile è possibile ottenere informazioni sull’esistenza e sulla massa del fotone oscuro. L’esperimento è condotto da circa 40 fisici, in gran parte italiani, con una significativa presenza di colleghi dalla Bulgaria, dall’Ungheria e dagli Stati Uniti.

TECNOLOGIE DI ALTISSIMA PRECISIONE

Il bersaglio attivo di Padme: un sottile strato di diamante sintetico con il reticolo di strisce di grafite, che ne anneriscono la superficie, montato sulla scheda di elettronica per la lettura dei segnali prodotti al passaggio del fascio di Padme

Il bersaglio, il calorimetro e il monitor di fascio di PADME rappresentano il frutto di tecnologie innovative al cui sviluppo hanno sinergicamente cooperato partner industriali e del mondo della ricerca (ricercatori INFN e della struttura della materia).

Il sistema di vuoto è stato realizzato da una ditta italiana FANTINI SPA, che ha già collaborato con l’INFN per la realizzazione di esperimenti al CERN.

Il bersaglio di PADME è una membrana dello spessore di un decimo di millimetro di diamante artificiale policristallino e costituisce un dispositivo innovativo con funzione di rivelatore.

È stato realizzato da partner industriali in cooperazione con i laboratori INFN della sezione di Lecce dove i campioni prodotti sono stati caratterizzati.

A Lecce una stretta collaborazione dei ricercatori INFN con i fisici della materia del Laboratorio L3 del dipartimento di Matematica e Fisica dell’Università del Salento ha, inoltre, consentito di sviluppare una nuova tecnica per la realizzazione degli elettrodi basata sull’irraggiamento con luce laser della superficie del diamante per produrre strisce di grafite conduttive.

Il calorimetro è un esempio di come tecnologie sviluppate nella ricerca di base abbiano poi importanti ricadute in svariati campi applicativi di grande impatto sociale. È costruito con un materiale (BGO) nato per la fisica delle particelle, che si è poi diffuso, grazie alle caratteristiche di granularità, alta efficienza e densità, nel campo della diagnostica medica, come ad esempio nella PET.

Il monitor di fascio è stato costruito grazie a una tecnologia a pixel di silicio chiamata TimePix, sviluppata al CERN, e in grado di fornire, con grande precisione, tempo e coordinate delle particelle in un unico rivelatore realizzato in collaborazione con un’azienda della Repubblica Ceca (ADVACAM) che sta lavorando ad applicazioni industriali di questa tecnologia.