Cosinus

La materia oscura rappresenta più di un quarto dell’ammontare totale di materia-energia nell’Universo, superando di un fattore cinque la materia ordinaria barionica, che costituisce le galassie visibili [1].
Fino ad oggi la presenza di materia oscura si riscontra solo indirettamente, attraverso manifestazioni gravitazionali della sua presenza, pertanto decifrare la sua vera natura rimane uno dei temi caldi della fisica moderna. Sono differenti le strategie e gli esperimenti per la ricerca diretta di materia oscura; fra questi in particolare l’esperimento DAMA / LIBRA [2], osserva da circa un decennio un segnale di modulazione annuale, compatibile con quello atteso per particelle di materia oscura, che tuttavia non trova riscontro da gran parte degli esperimenti attualmente operanti.

SITO WEB ESPERIMENTO COSINUS

Dal momento che diversi esperimenti utilizzano diversi materiali-bersaglio per rivelare la materia oscura, un confronto diretto dei loro risultati è possibile solo assumendo valide determinate ipotesi sull’interazione della materia oscura con la materia ordinaria. Pertanto, l’unico modo per fornire una verifica incrociata del risultato di DAMA / LIBRA, indipendente dal modello adottato, è l’utilizzo dello stesso materiale di DAMA / LIBRA, ma in un diverso esperimento.

Lo scopo del progetto COSINUS è quello di sviluppare un calorimetro scintillante criogenico, operante alla temperatura di 0.01 Kelvin, con ioduro di sodio (NaI) come bersaglio, lo stesso materiale usato da DAMA/LIBRA. Oltre al già citato confronto diretto dei risultati, tale rivelatore ha potenzialmente una soglia di rinculo nucleare significativamente più bassa e fornisce la possibilità di discriminare il tipo di particella interagente, entrambe caratteristiche uniche nella famiglia di esperimenti di materia oscura che sfruttano NaI. In un calorimetro criogenico scintillante vengono rivelati simultaneamente il segnale di calore, dovuto alla propagazione dei fononi, e la luce di scintillazione. Il segnale di calore misura con precisione l’energia depositata nel cristallo dall’interazione di una particella, mentre il segnale luminoso fornisce uno strumento per discriminare la natura della particella interagente, poiché la quantità di luce di scintillazione prodotta dipende fortemente dal tipo di particella. La discriminazione delle particelle permette di separare i potenziali eventi di segnale (rinculi nucleari) dai fondi più comuni (beta/gamma), caratteristica fondamentale nella ricerca di eventi rari. Inoltre il rivelatore di COSINUS consente di discriminare i rinculi nucleari delle due specie atomiche (Na e I), migliorando ulteriormente la possibilità di comprendere l’interazione della materia ordinaria con la materia oscura.

Una visione schematica del singolo modulo del rivelatore di COSINUS è mostrata nella Fig. 1. Il sensore di temperatura (chiamato TES, dall’inglese Transition Edge Sensor) viene depositato su un cristallo-carrier, che sorregge il cristallo di NaI.
L’utilizzo di un cristallo-carrier è reso necessario dalla natura igroscopica dello Ioduro di Sodio, che rende molto difficoltosa la deposizione dei TES. Inoltre in questo modo il carrier ed il lettore di luce a bicchiere racchiudono completamente i cristalli di NaI, creando una superficie attiva intorno al cristallo che consente di individuare eventi alpha esterni e superficiali. I rinculi dovuti ad eventi alpha costruiscono infatti un fondo molto preoccupante che può simulare il segnale di materia oscura, avendo bassa energia e poca luce emessa.

Prospettive per COSINUS

Per arrivare ad una sensibilità paragonabile a quella di dama / libra, cosinus deve raggiungere una risoluzione energetica sul canale di calore di 0.2 kev, corrispondente ad una soglia in energia di 1 kev, indipendentemente dalla particella interagente.la fig. 2 mostra i dati simulati per un’esposizione di 100 kg/giorno per un rivelatore in grado di raggiungere le performance attese per COSINUS; il grafico mostra la resa della luce in funzione dell’energia. La resa di luce viene in questo caso definita come il rapporto tra il segnale di luce e quello di calore, normalizzato a uno per interazioni beta / gamma. I punti neri rappresentano eventi provenienti da un fondo piatto beta / gamma al quale si somma il contributo di una contaminazione interna di potassio (⁴⁰K) (con un’attività di 600 μBq, corrispondenti a quanto osservato in DAMA / LIBRA [3]). Nelle bande orizzontali sono attese le seguenti classi di eventi: beta / gamma in nero, rinculi nucleari su Na ed I in blu e verde rispettivamente. Il contributo di ⁴⁰K è visibile come una linea a circa 3 keV nella banda beta / gamma. Gli eventi in rosso rappresentano il contributo atteso per materia oscura con una massa di 10 GeV/c² ed una sezione d’urto di 0.0002 pb. Questa ipotetica particella è coerente con l’interpretazione del segnale di modulazione DAMA / LIBRA da Savage et. al [4]. Inoltre, le aree contornate in magenta nel grafico in Fig. 2 indicano le regioni che possono contribuire, oltre agli elettroni in banda beta/gamma, al segnale osservato da DAMA / LIBRA nella regione di energia 2-6 keVee (ee = elettrone equivalente). La bassa soglia in energia per i rinculi nucleari, insieme all’andamento esponenziale dello spettro di rinculo della materia oscura, previsto a basse energie, costituiscono i principali vantaggi della tecnica della calorimetria a temperature criogeniche.La possibilità di identificare le particelle interagenti, evento per evento, rende la tecnica di COSINUS unica fra i rivelatori che utilizzano NaI, in quanto offre uno strumento per classificare le interazioni in funzione del bersaglio colpito (elettroni, Na e I), riducendo drasticamente il fondo. Nell’ipotesi che l’interazione osservata da DAMA / LIBRA sia dovuta a rinculi elettronici, soltanto il beneficio della bassa soglia resta valido in quanto, dovendo cercare il segnale nella banda beta/gamma, l’abbattimento del fondo non è più efficace.

Dal momento che i rinculi elettronici sono lo sfondo dominante in tali rivelatori, le basse contaminazioni radioattive dei cristalli di NaI e del setup sperimentale giocherebbe un ruolo chiave per migliorare la sensibilità.Raggiungendo prestazioni paragonabili a quelle degli esperimenti bolometrici come CRESST [5], la ricerca di materia oscura basata sui rivelatori di COSINUS, ha la potenzialità di fare chiarezza nel complesso scenario odierno: già con un piccolo numero di moduli COSINUS, in un ambiente a basso fondo e semplicemente contando il numero di rinculi nucleari, permetterebbe di dare una risposta sulla natura del segnale di modulazione di DAMA/LIBRA, chiarendo se siano rinculi nucleari o interazioni di altra natura. In una fase successiva, utilizzando una matrice di rivelatori per i cicli pluriennali, la tecnica di COSINUS consentirebbe di eseguire un’ottima misura del segnale di modulazione.

[1] Planck Collaboration, R. Adam et al., A& A 594 A1 (2016).
[2] R. Bernabei et al., Eur. Phy. J. C 73 (2013).
[3] R. Bernabei et al., NIM A 592, 297 (2008).
[4] C. Savage et al., J. of Cosmol. and Astropart. Phys. 2009, 560 010 (2009).
[5] G. Angloher et al., CRESST Collaboration, Eur. Phys. J. C 76 25 (2016).

Dettagli Collaborazione

Florian Reindl (INFN Roma)

G. Angloher¹, P. Carniti², L. Cassina², L. Gironi^2,3, C. Gotti², A. Gütlein^4,5, M. Mancuso¹, M. Maino², L. Pagnanini⁶, G. Pessina², F. Petricca¹, S. Pirro⁸, R. Puig^4,5, F. Pröbst¹, F. Reindl⁷, K. Schäffner^6,8(PI of the Project), J. Schieck^4,5, W. Seidel¹

¹Max-Planck-Institut für Physik, München, Germany

²INFN – Sezione di Milano Bicocca, Milano, Italy

³Dipartimento di Fisica, Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy

⁴Institut für Hochenergiephysik der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Austria

⁵Atominstitut, Vienna University of Technology, Wien, Austria

⁶GSSI – Gran Sasso Science Institute, L’Aquila, Italy

⁷INFN – Sezione di Roma, Italy

⁸INFN – Laboratori Nazionali del Gran Sasso, Assergi, Italy

Angloher et al., A CsI low-temperature detector for dark matter search
Astropart. Phys. 84 70-77.
arXiv:1602.08884

Angloher et al., The COSINUS project: perspectives of a NaI scintillating calorimeter for dark matter search

Eur. Phys. J. C 76 441.
arXiv:1603.02214

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