Al ricercatore genovese Andrea Celentano 1,5 milioni per un progetto sulla materia oscura - Genova

Al ricercatore genovese Andrea Celentano 1,5 milioni per un progetto sulla materia oscura

Attualità Genova Giovedì 3 settembre 2020

Genova - Andrea Celentano, ricercatore dell’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare alla Sezione di Genova, è risultato vincitore di un ERC European Research Council Starting Grant del valore di 1,484 milioni di euro, con il suo progetto Poker (POsitron resonant annihilation into darK mattER), dedicato alla ricerca di un particolare tipo di materia oscura: la materia oscura leggera.

"È per me una grande soddisfazione aver ottenuto un ERC Starting Grant - dice il genovese Andrea Celentano - perché questo finanziamento offre a un giovane ricercatore una possibilità unica per guidare un nuovo progetto e intraprendere un'avvincente sfida scientifica, acquisendo gli strumenti necessari e costruendo la propria squadra di collaboratori".

L’obiettivo del progetto Poker, approvato per 5 anni a partire da dicembre 2020, è studiare e dimostrare la fattibilità di un nuovo approccio per la ricerca di materia oscura leggera, con misure realizzate grazie a un acceleratore di particelle, facendo collidere un fascio energetico di positroni (antielettroni) su un bersaglio spesso. L’idea alla base dell’esperimento è la possibilità di produrre particelle di materia oscura leggera tramite l’annichilazione dei positroni del fascio con gli elettroni atomici del bersaglio. Per misurare i possibili eventi di segnale di materia oscura leggera, Poker utilizza la tecnica della “energia mancante”.

Il rivelatore è il bersaglio stesso: un rivelatore di tipo “attivo”, capace di misurare per ciascun positrone incidente l’energia totale depositata all’interno dello stesso. Nel caso di eventi di fondo, l’intera energia del positrone incidente è depositata nel bersaglio e nei sistemi di veto attivo che lo circondano. Nel caso di produzione di materia oscura leggera, invece, quest’ultima sfuggirebbe dal rivelatore portando con sé una grande frazione dell’energia del positrone incidente: l’energia misurata dal bersaglio attivo risulterebbe, quindi, significativamente inferiore a quella del fascio.

Materia oscura e materia oscura leggera nel dettaglio

La materia oscura. Attraverso molteplici osservazioni sperimentali di tipo astrofisico e cosmologico, oggi sappiamo che la componente dominante della materia presente nell’universo, pur interagendo gravitazionalmente con la materia ordinaria di cui è fatto tutto ciò che conosciamo, non emette né assorbe radiazione luminosa, da cui il nome di materia oscura. Riuscire a osservare la materia oscura rappresenterebbe anche una chiara evidenza di quella che viene chiamata Nuova Fisica oltre il Modello Standard: quella fisica, cioè che non abbiamo ancora scoperto e che ci farebbe superare le nostre attuali conoscenze e teorie. Tuttavia, ad oggi, le osservazioni sperimentali di materia oscura sono solo basate su effetti di tipo gravitazionale, e non abbiamo alcuna conoscenza circa la natura particellare di questa nuova forma di materia. Risolvere questo enigma è una delle priorità attuali per la fisica delle particelle.

Fino ad oggi, la maggior parte degli sforzi sperimentali è stata focalizzata sull’ipotesi che la materia oscura sia costituita da particelle massive di tipo WIMP (Weakly Interacting Massive Particles): prodotte nell’universo primordiale negli istanti immediatamente successivi al Big Bang, queste particelle, dotate di grande massa, sono elettricamente neutre e interagiscono con la materia ordinaria attraverso la forza debole del Modello Standard. Questa ipotesi permette in modo elegante di spiegare la densità di materia oscura presente nell’universo, e oggi sono molti gli esperimenti, a terra e nello spazio, che stanno cercando di rivelare segnali di WIMP, sfruttando varie tecniche: dall’osservazione diretta grazie a sensibilissimi rivelatori di grandi dimensioni come gli esperimenti nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso dell’INFN, alla sua produzione nelle collisioni tra particelle nei grandi acceleratori come LHC del CERN, all’osservazione indiretta con rivelatori posti su satellite o sulla Stazione Spaziale Internazionale come AMS-02. Tuttavia, ad oggi, manca ancora una sua definitiva osservazione sperimentale.

La materia oscura leggera. Recentemente è stata formulata un’ipotesi alternativa circa la natura della materia oscura, secondo cui essa è costituita da particelle leggere che interagiscono con la materia ordinaria tramite una nuova forza, con caratteristiche simili a quella elettromagnetica ma molto meno intensa.

“A causa della piccola massa delle particelle e di ulteriori effetti cinematici, le tecniche tradizionali di misura utilizzate per la ricerca di WIMP hanno una bassa sensibilità per verificare la nuova ipotesi della materia oscura leggera”, spiega Andrea Celentano. “Da qui nasce l’idea di POKER: sfruttare il fascio di positroni da 100 GeV disponibile al CERN per realizzare, grazie a una grande sensibilità al segnale e a una intrinseca capacità di riconoscere e scartare gli eventi di fondo, una prima misura dimostrativa, che possa aprire la strada a un futuro esperimento basato su questa nuova tecnica”. “Siamo, infatti, convinti che un esperimento di questo tipo abbia un enorme potenziale di scoperta, riuscendo a esplorare l’intera regione, sia della massa delle particelle di materia oscura sia della loro intensità di interazione con la materia ordinaria, compatibile con le osservazioni astrofisiche e cosmologiche”, conclude Celentano.

Andrea Celentano: chi è e percorso di studi

Andrea Celentano si è laureato presso l’Università degli Studi di Genova nel 2010, dove ha proseguito gli studi conseguendo nel 2014 il dottorato di ricerca con la tesi “The Forward Tagger Detector for CLAS12 at Jefferson Laboratory and the MesonEx experiment”. A partire dal 2017 è ricercatore presso la sezione di Genova dell’INFN. La sua attività scientifica è iniziata nel contesto della fisica adronica, all’interno dell’esperimento CLAS presso il Jefferson Laboratory negli Stati Uniti.

Successivamente, a partire dal 2013, si è avvicinato al nuovo campo della ricerca sperimentale di materia oscura leggera agli acceleratori, partecipando all’esperimento HPS presso il Jefferson Laboratory e proponendo, presso lo stesso laboratorio, l’esperimento BDX. Per aumentare la visibilità di questo nuovo campo scientifico, a partire dal 2015 è promotore della serie di conferenze “Light Dark Matter at Accelerators” (LDMA).

In parallelo a queste attività, lavora anche al disegno e costruzione di nuovi rivelatori per esperimenti di fisica delle particelle, tra cui diversi calorimetri elettromagnetici in cristalli di Tungstato di Piombo, la cui tecnologia è alla base del rivelatore proposto per il progetto POKER.

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