Progetto Cosinus: a caccia di Materia Oscura

Materia Oscura: l’Universo ne è colmo, ma la sua natura resta ancora profondamente misteriosa. Tema molto discusso nella fisica astro-particellare contemporanea, la ricerca sulla Materia Oscura non è ancora stata in grado, ad oggi, di concludere nulla sull’argomento.

Ed ecco quindi che nasce il nuovo esperimento italiano, Cosinus, posizionato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, che ci propone un vero e proprio viaggio alla scoperta del lato misterioso del nostro Universo.

Ma che cos’è la Materia Oscura?

Per definizione, la Materia Oscura è un ipotetico tipo di materia che, diversamente dalla quella conosciuta, non emette radiazione elettromagnetica (da qui il termine “oscura”). Essa, pertanto, è rilevabile soltanto in maniera indiretto attraverso i suoi effetti gravitazionali.

La sua esistenza è stata teorizzata per spiegare, nel modello standard della cosmologia, la formazione delle galassie e l’addensamento di ammassi di galassie nel tempo calcolato dall’evento del Big Bang. Inoltre, la presenza di Materia Oscura nell’Universo chiarirebbe come, sotto l’azione della forza di gravità, le galassie possano rimanere integre, nonostante la materia visibile non sia in grado di sviluppare sufficiente attrazione gravitazionale.

Ammasso di galassie – fonte: Inaf 

Ad oggi non vi sono altro che potenziali prove che certifichino l’effettiva esistenza della Materia Oscura. Ricordiamo, ad esempio, uno studio del 2008 condotto da un gruppo di astrofisici coordinati dall’Istituto di Astrofisica di Parigi, in cui sono state scattate ed esaminate alcune foto di galassie nelle quali si è visto come la luce subisse deviazioni in punti in cui non era visibile alcuna massa.

In passato è già stato ideato un progetto, denominato ‘Dama-Libra’ ed anch’esso posizionato presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso, volto a rilevare ciclicamente flussi di particelle di materia oscura. A causa del moto di rivoluzione della Terra attorno al Sole, e del Sole nella Via Lattea, è stato previsto un flusso massimo di particelle che investono il nostro pianeta attorno al 2 Giugno, ed un minimo intorno al 2 Dicembre. Questo esperimento ha già, in effetti, riportato alcuni dati che segnalano la presenza di materia oscura. La natura dei segnali registrati da Dama-Libra, tuttavia, è ancora misteriosa: ecco quindi che nasce il progetto Cosinus.

Il progetto Cosinus

Germania, Italia, Austria e Cina si uniscono per trovare risposte sul lato oscuro dell’Universo: nasce così il progetto Cosinus, realizzato nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Lngs-Infn). Il luogo scelto non è affatto casuale: la protezione naturale dalle radiazioni, offerta dai 1.400 metri di roccia del massiccio appenninico, è perfetta per lo studio dell’universo. Esperimento recentissimo, la sua effettiva costruzione avverrà nel corso del 2021, mentre si prospetta l’inizio dell’attività scientifica nel 2022, ed i primi risultati nel 2023.

 

Laboratori Nazionali del Gran Sasso – fonte: INFS

 

L’idea nasce dai fisici Karoline Schaeffner, del Max Planck Institute di Monaco, e Florian Reindl, dell’Università tecnica di Vienna per studiare l’interazione di una particella di materia oscura con un cristallo scintillante di ioduro di sodio (NaI). L’obiettivo è quello di rendere la temperatura del cristallo scelto prossima allo zero assoluto (-273 °C) per poter osservare il comportamento assunto dall’apparato sperimentale quando investito dalle particelle. L’energia rilasciata da una particella all’interno del cristallo ne determina un lievissimo aumento di temperatura. Combinando i dati ottenuti di luce e calore, si è in grado di distinguere particelle di materia ordinaria da quelle di Materia Oscura. Come infatti spiega Andrei Puiu, ricercatore al GSSI :“La quantità di luce di scintillazione prodotta dal passaggio di particelle all’interno del cristallo differisce a seconda dalla natura della particella stessa”.

L’apparato sperimentale è un calorimetro scintillante criogenico, e consiste di un cilindro di sette metri d’altezza e sette di diametro, riempito di acqua ultra-pura e contenente al centro un criostato che mantiene la temperatura del cristallo di NaI a circa -273 °C. La scelta del cristallo non è fortuita: anche l’apparato Dama si serve dello stesso materiale di rivelazione, e pertanto sarà possibile effettuare un confronto con tale esperimento.

Cristallo scintillante di ioduro di sodio – fonte: INFS

Il principio di funzionamento di questi rivelatori si basa sulla proprietà di alcuni materiali, detti scintillanti, in grado di produrre lampi di luce quando attraversati da radiazioni. E’ possibile quindi ottenere un rivelatore di particelle che fornisce informazioni sul passaggio di una radiazione al suo interno mediante la produzione di luce visibile e la successiva conversione di essa in segnale elettrico.

Sull’interessante progetto si esprime Natalia Di Marco, ricercatrice presso il GSSI e responsabile italiana del progetto, affermando come COSINUS stia “offrendo un’incredibile opportunità di ricerca interdisciplinare. Utilizzare i cristalli di ioduro di sodio a temperatura criogenica è infatti una sfida tecnologica che richiede competenze trasversali a quelle di noi fisici astro-particellari”.

Riuscirà Cosinus a fornire una conferma sperimentale sulla natura misteriosa della Materia Oscura? Una sfida tutt’altro che banale quella lanciata dall’ambizioso progetto, che tuttavia potrebbe, in futuro, contribuire ad aggiungere un ulteriore tassello per la comprensione del misterioso Universo che ci circonda.

Giulia Accetta

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