Nei laboratori sotterranei del Gran Sasso, dove il silenzio cosmico regna a 1.400 metri sotto la roccia abruzzese, si è compiuto un passo decisivo nella caccia alla materia oscura. Il detector XENONnT ha raggiunto un traguardo che sembrava impossibile: ridurre la radioattività indotta dal radon a livelli un miliardo di volte inferiori rispetto alla radioattività naturale del corpo umano. Questo risultato rappresenta una svolta tecnologica che potrebbe finalmente permettere di svelare i segreti di quella componente invisibile dell'universo che costituisce l'85% di tutta la materia esistente.
La sfida del rumore di fondo cosmico
La ricerca della materia oscura somiglia alla caccia di un sussurro in mezzo al frastuono di una metropoli. Gli scienziati della collaborazione XENON stanno utilizzando uno dei rivelatori più sensibili al mondo per intercettare le rarissime interazioni che potrebbero rivelare la natura di queste particelle fantasma. Il problema principale risiede nel fatto che anche quantità infinitesimali di radioattività naturale generano segnali di disturbo capaci di mascherare completamente le deboli tracce ricercate.
Il detector XENONnT, sviluppato presso i laboratori dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, misura le interazioni di ipotetiche particelle di materia oscura con atomi di xenon liquido, un gas nobile mantenuto a circa 95 gradi sotto zero. Le sue 8,5 tonnellate di materiale operano in condizioni di purezza estrema, ottenute grazie a un design innovativo e all'utilizzo di materiali ultra-radiopuri.
Il nemico invisibile chiamato radon
Tra tutti i contaminanti radioattivi, il radon rappresenta la sfida più insidiosa per i fisici delle particelle. Questo gas radioattivo, prodotto dal decadimento di isotopi longevi formatisi durante la nascita del nostro sistema solare, è praticamente onnipresente in tutti i materiali terrestri e costituisce una porzione significativa dell'esposizione radiativa naturale degli esseri umani. Anche tracce microscopiche di radon disciolto nel detector possono produrre lampi di luce indistinguibili dai segnali della materia oscura che gli scienziati stanno cercando di catturare.
L'innovazione tedesca che cambia le regole del gioco
La soluzione è arrivata dall'Università di Münster, dove il team guidato dal fisico delle particelle Christian Weinheimer ha sviluppato un sistema di distillazione criogenica per la purificazione continua dello xenon. Questa tecnologia, descritta nell'ultimo numero di Physical Review X, riesce a rimuovere specificatamente il radon riducendone la concentrazione di un fattore quattro, fino a raggiungere appena 430 atomi di radon per tonnellata di xenon liquido.
Il risultato, quantificato con precisione dal gruppo del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, porta i disturbi causati dal radon allo stesso livello di rarità del fondo cosmico generato dai neutrini solari - particelle che nascono dalla fusione nucleare all'interno del Sole e che non possono essere schermate con alcun mezzo fisico. Questo significa che per la prima volta le misurazioni possono essere condotte praticamente senza interferenze radioattive di origine terrestre.
Verso osservatori di nuova generazione
L'importanza di questo breakthrough tecnologico va oltre i risultati immediati dell'esperimento XENONnT. Come spiega Weinheimer, "la tecnologia apre la strada a detector più grandi e ancora più sensibili come il pianificato osservatorio XLZD, che sarà dieci volte più grande". Il principio della distillazione criogenica potrebbe infatti essere scalato per purificare quantità enormi di xenon liquido, permettendo la costruzione di rivelatori di dimensioni senza precedenti.
Il successo ottenuto nei laboratori del Gran Sasso dimostra che è possibile raggiungere livelli di purezza che fino a pochi anni fa sembravano fantascientifici. Con il radon ridotto ai livelli dei neutrini solari, XENONnT si avvicina sempre di più alla sensibilità teorica massima per questo tipo di esperimenti, avvicinando l'umanità alla possibile risoluzione di uno dei misteri più profondi della fisica contemporanea.