La materia oscura continua a essere un enigma per la scienza. I fisici hanno ipotizzato che la forza gravitazionale della materia visibile sia insufficiente a impedire alle galassie di disperdersi nello spazio. Di conseguenza, hanno teorizzato l’esistenza della materia oscura come elemento invisibile che mantiene unito l’Universo.
La sua osservazione diretta è però complessa, in quanto si ritiene che interagisca in modo minimo con la materia ordinaria e non emetta, rifletta o assorba luce. Qualcuno in verità ritiene di averla rilevata ma tale affermazione è stata messa in discussione, suggerendo che gli esperimenti potrebbero essere stati influenzati da altri segnali.
Ecco perché il laboratorio cinese per lo studio della materia oscura, appena entrato nella sua fase operativa, diviene un elemento di grande importanza per la scienza. A questa struttura è infatti assegnata la caccia di un elemento al momento ancora teorico, che però si ritiene costituisca oltre l’80% della massa dell’Universo.
Inaugurato nel 2010, il China Jinping Underground Laboratory (CJPL) ha avviato la sua seconda fase, CJPL-II, nel dicembre 2023, dopo tre anni di lavori. Con i suoi 330.000 metri cubi di capacità, supera il Laboratorio Nazionale di Gran Sasso (LNGS) di L’Aquila, che fino ad ora deteneva il primato in termini di profondità e di ampiezza.
Grazie a questo ampliamento, progetti come i Particle and Astrophysical Xenon Experiments (PandaX) e il China Dark Matter Experiment (CDEX), possono finalmente avanzare. “Ciò che hanno realizzato in dieci anni è straordinario”, ha commentato Juan Collar, fisico presso l’Università di Chicago in Illinois.
Ma perché un laboratorio sotterraneo? La ragione sta nel fatto che le rocce fungono da scudo contro il ‘rumore’ di fondo proveniente dallo spazio, in primis i raggi cosmici, particelle ad alta energia provenienti dallo spazio che possono sovrastare i segnali della materia oscura. Come spiega Marco Selvi, fisico presso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare a Bologna, cercare materia oscura sulla superficie terrestre è paragonabile a “tentare di ascoltare il sussurro di un bambino in uno stadio pieno di tifosi rumorosi”.
Nelle profondità del CJPL-II, invece, il livello di esposizione ai raggi cosmici è solo lo 0,000001% di quello presente in superficie, rendendolo il laboratorio sotterraneo con la migliore protezione al mondo. Le sue mura sono poi rivestite da uno scudo da 10 centimetri composto di gomma, cemento e altri materiali in grado di blocca l’acqua e il gas radon. Quest’ultimo, proveniente dalla roccia circostante, che oltra a essere radioattivo potrebbe interferire con gli esperimenti di rilevamento della materia oscura.
Ecco com’è strutturato il China Jinping Underground Laboratory (CJPL).
Durante la costruzione di CJPL-II, il team di PandaX ha potenziato il proprio rilevatore passando da una capacità di 120 chili a 4 tonnellate di xenon liquido. In caso di collisione tra una potenziale particella di materia oscura e un atomo di xenon, l’energia dovrebbe trasformarsi in bagliori di luce rilevabili tramite dei fotosensori.
All’interno di un serbatoio di acqua da 900 metri cubi, il rivelatore PandaX-4T è ulteriormente protetto da particelle indesiderate, spiega Ning Zhou, un fisico dell’Università di Shanghai Jiao Tong in Cina e membro del team. “Con una sensibilità migliorata possiamo manipolare il rivelatore ed esaminare diversi tipi di interazioni”. Il traguardo finale del gruppo è sviluppare un rivelatore di xenon che possa raggiungere una capacità tra 40 e 50 tonnellate, in modo da competere con l’esperimento DARWIN europeo, che mira a 40 tonnellate, rivela Zhou.
Intanto, il gruppo CDEX ha introdotto un rivelatore di germanio, progettato per individuare particelle di materia oscura di massa ancora inferiore rispetto a quelle cercate negli esperimenti con xenon. Il CDEX è stato ampliato da 1 chilogrammo a 10 chilogrammi di germanio: se una particella di materia oscura colpisse questo rivelatore, l’interazione dovrebbe generare cariche convertibili in segnali elettrici. Yue ambisce ad attirare ulteriori collaboratori internazionali in CDEX, che già comprende ricercatori dall’India e dalla Turchia.
Anche se la ricerca sulla materia oscura è una competizione globale, la presenza di diversi laboratori sotterranei in tutto il mondo che svolgono esperimenti analoghi permette ai ricercatori di confrontare i loro risultati. Nel 2022, il team di PandaX è riuscito a confermare i risultati dell’esperimento XENON del LNGS, che aveva determinato che un segnale inaspettato rilevato nel 2020 era in realtà dovuto a rumore di fondo e non a materia oscura.
“C’è ancora molto da fare”, conclude Zhou. Nei prossimi dieci anni i team del CJPL-II continueranno a perfezionare la sensibilità dei loro rivelatori e la speranza è che la comunità di ricerca internazionale sulla materia oscura voglia condividere e integrare i dati raccolti dal CJPL-II coi propri.
