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Neutroni e materia oscura: giovane ricercatore si racconta

Disegno di un atomo
Matteo Cadeddu, giovane ricercatore sardo di fisica, ha recentemente pubblicato, insieme a un team italo-cinese di colleghi, un articolo su una scoperta scientifica relativa alla distribuzione dei neutroni nel nucleo del cesio. Si tratta di uno studio molto importante, anche per le sue applicazioni nel campo dell'astrofisica. Nato a San Gavino Monreale e traferitosi a Cagliari per gli studi universitari, Matteo sta attualmente terminando la sua tesi di dottorato e ha una borsa di ricerca per lavorare al progetto DarkSide-20k, un sensibilissimo rivelatore di materia oscura che sarà costruito nei Laboratori nazionali del Gran Sasso e per il quale la Sardegna è fortemente coinvolta.

Lo abbiamo intervistato per farci spiegare la scoperta oggetto del suo articolo e per parlarci del progetto DarkSide-20k.

Su quale scoperta si concentra il tuo articolo e quali sono le possibili applicazioni?
La scoperta ha come protagonisti i nuclei atomici. Fin dalle scuole elementari sappiamo che gli atomi sono costituiti da un nucleo atomico, il quale a sua volta è formato da costituenti più piccoli chiamati nucleoni. Questi ultimi sono i protoni, carichi positivamente, e i neutroni, che sono globalmente neutri. Dei nuclei conosciamo molte proprietà, una delle quali è la loro dimensione. Se immaginiamo un nucleo atomico di forma pressoché sferica possiamo per esempio definire il raggio di tale nucleo. Potrebbe sorprende il fatto che tutto ciò che sappiamo dei nuclei si riferisce quasi esclusivamente alla parte relativa ai protoni. Infatti essendo carichi positivamente, la loro disposizione all'interno dei nuclei è facilmente sondabile utilizzando altre particelle cariche come gli elettroni. Della disposizione dei neutroni invece si sa poco o nulla perché, essendo neutri, quest'ultimi sono più difficili da studiare. A meno di non trovare una particella neutra che riesca a "vedere", in opportune condizioni, tutti i neutroni collettivamente. Questa particella esiste, il suo nome è neutrino e il processo viene chiamato interazione coerente dei neutrini con i nuclei. Questo processo è stato predetto teoricamente più di 40 anni fa, ma è stato osservato sperimentalmente solo qualche mese fa dalla collaborazione internazionale COHERENT.

L'interazione del neutrino avviene con il nucleo intero, ma dal momento che i neutrini interagiscono maggiormente con i neutroni piuttosto che con i protoni, possiamo di fatto ottenere informazioni sulla disposizione interna dei neutroni: una sorta di fotografia con i neutrini. Utilizzando quindi i dati sperimentali di COHERENT siamo riusciti ad ottenere per la prima volta l'informazione di quanto si estendono i neutroni nei nuclei di cesio e iodio. Il raggio è risultato essere pari a circa 5.5 femtometri (5.5 milionesimi di miliardesimi di metro). Un valore più grande di quello indicato dai principali modelli teorici dei nuclei. Inoltre, da altri esperimenti sappiamo che il raggio della distribuzione dei protoni si estende per circa 4.8 femtometri. Quindi i neutroni "sbordano" un po' rispetto ai protoni creando una "sorta di pelle, o coperta". È come sei i nuclei pesanti fossero fatti da uno strato esterno di neutroni e una parte più interna di protoni e neutroni.

Le applicazioni al momento sono confinate alla ricerca pura. Con questa tecnica potremmo innanzitutto studiare meglio i nuclei e capire come sono fatti davvero. Inoltre, alcune proprietà dei nuclei pesanti sono legate alle proprietà di alcune stelle esotiche, chiamate "stelle di neutroni", che sono stelle compattissime e densissime in cui la massa di una stella come il sole è confinata in un raggio di appena qualche chilometro. È come se fossero dei veri e propri nuclei atomici di soli neutroni delle dimensioni dell'hinterland di Cagliari. Il funzionamento dei nuclei pesanti è in un certo qual senso simile, per cui capire i nuclei pesanti ci darà preziose informazioni sul comportamento di questi oggetti celesti.

Non ultimo comprendere a fondo la reazione di interazione coerente dei neutrini con i nuclei ci aiuterà in futuro nella ricerca della materia oscura. Il nostro universo è costituito infatti solamente per il 10% dalla materia che noi tutti conosciamo, mentre il restante 90% è costituito da una forma di materia sconosciuta che stiamo cercando di osservare nei laboratori sotterranei. Per cercare questa materia oscura, che pensiamo sia costituita da particelle chiamate WIMP, sfruttiamo proprio una sorta di "interazione coerente delle WIMP con i nuclei", che però ha il difetto di essere simile a quella appena citata provocata dai neutrini con cui quindi può essere confusa. Una migliore comprensione delle interazioni dei neutrini ci permetterà in futuro di affermare con maggiore certezza se si è osservata davvero la materia oscura o se si tratta solamente del disturbo indotto dai neutrini.

Sappiamo che partecipi anche al progetto DarkSide-20k: puoi spiegarci cos'è e come la Sardegna è coinvolta?
DarkSide-20k sarà un rivelatore di materia oscura, erede dell'attuale DarkSide-50, che verrà costruito ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS), nel cuore della montagna, la quale permette di schermare il rivelatore dal disturbo indotto dai raggi cosmici che bombardano continuamente la Terra. Il termine 20k sta per 20 tonnellate di argon liquido, il gas nobile che costituisce la parte più importante del rivelatore. L'argon è un elemento perfetto per la ricerca della materia oscura, infatti ha il pregio di reagire prontamente ad un possibile urto con essa. Ma nessuno è perfetto. Infatti, l'argon contiene una percentuale ridicola di un isotopo radioattivo, l'argon-39, che decadendo produce un disturbo nel rivelatore che si vuole a tutti i costi evitare per essere sicuri al 100% di aver osservato realmente la materia oscura e non un impostore. È qui che entra in gioco la Sardegna. Sono state infatti individuate delle infrastrutture uniche nelle miniera di Seruci nel Sulcis-Iglesiente che possono ospitare una lunghissima colonna per la cosiddetta "separazione isotopica" dell'argon-39, la componente radioattiva, da quella buona, l'argon-40. È il cosiddetto progetto ARIA, nato da un protocollo d'intesa tra l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e la Regione Autonoma della Sardegna. L'Università e la sezione INFN di Cagliari sono inoltre coinvolte in moltissimi aspetti del progetto DarkSide, che vanno dalla comprensione teorica della materia oscura, all'analisi dei dati sperimentali del rivelatore fino alla progettazione dell'esperimento stesso.

Su quali argomenti vorresti concentrare il tuo lavoro di ricerca nei prossimi anni?
Attualmente sto studiando i modi in cui i possibili candidati di materia oscura e i neutrini, queste particelle neutre e leggerissime che non smettono mai di stupirci, interagiscono con la materia ordinaria e di sviluppare nuove tecniche sperimentali per distinguere queste due particelle nei rivelatori di materia oscura futuri come DarkSide-20k. È una sfida teorica e tecnologica avvincente. Infatti, se è vero che neutrini e WIMP interagiscono in maniera piuttosto simile, rendendo difficile la loro identificazione, è anche vero che esistono delle minuscole differenze che possiamo sfruttare. Dal momento che la materia oscura dovrebbe permeare e circondare come un alone tutta la nostra galassia e il sole si muove a una velocità impressionante (parliamo di circa 220 km/s) verso la direzione della costellazione del Cigno, allora la terra e quindi anche i rivelatori di materia oscura dovrebbero sentire una sorta di "vento di materia oscura" in direzione opposta al Cigno. È come correre con una moto in una giornata calma. Il fatto di muoversi in un mezzo che è l'aria ad una velocità sostenuta, farà si che il motociclista percepirà un vento in direzione contraria al suo moto. Allo stesso modo i nostri rivelatori saranno sommersi da un flusso di WIMP in direzione opposta al moto del sole. Questa è la chiave per riconoscere in maniera non ambigua se a interagire nel nostro rivelatore è la materia oscura o i neutrini. Tuttavia, rivelatori così grandi come DarkSide capaci anche di identificare la direzione della materia oscura non sono stati ancora sviluppati e la ricerca in tal senso porterebbe una novità nel settore non indifferente.

Quali sono secondo te le opportunità che offre una laurea in fisica e perché un giovane appena diplomato dovrebbe iscriversi a questa facoltà?
La laurea in fisica ha il vantaggio di insegnare un metodo che può essere così riassunto: si parte da un fenomeno fisico osservato che si vuole comprendere, lo si analizza in maniera razionale scomponendolo in tante parti più semplici e cercando degli schemi ricorrenti in modo da arrivare gradualmente a una comprensione più completa e predittiva del fenomeno stesso. Questo tipo di approccio è abbastanza generale e può essere applicato anche ad altri campi che non siano quello della fisica. Per cui una laurea in fisica è potenzialmente spendibile in tantissimi settori apparentemente lontani.

Purtroppo la crisi economica e i continui tagli alla ricerca degli ultimi anni hanno fatto sì che anche una laurea in fisica non sia sufficiente per trovare con facilità un lavoro, specialmente a tempo indeterminato. Quindi se dovessi rispondere alla domanda "perché un giovane diplomato dovrebbe iscriversi in fisica" non darei la risposta "perché avrà tanti sbocchi lavorativi" dal momento che mentirei. D'altra parte risponderei dicendo "iscriviti se ti piace analizzare il mondo con un approccio razionale, se hai voglia di capire come funzionano le cose intimamente e se sei pervaso da una curiosità insaziabile. In questo caso comunque non te ne pentirai". Il posto di lavoro non è assicurato, ma restiamo fiduciosi che la società evolva assicurando una stabilità a coloro i quali dedicano la loro vita a comprendere il funzionamento delle cose. La storia ci insegna infatti che è proprio dalla ricerca di base che nascono le grandi innovazioni che portano benefici a tutta la società nei campi più impensati.