Xenon

Lo xenon è un elemento che può essere tenuto facilmente allo stato liquido, stato in cui è un ottimo scintillatore, cioè emette luce se una particella vi interagisce. È pesante e denso, cosa che a parità di volume aumenta la probabilità di interazione con la materia oscura. Assorbe molto bene radiazioni provenienti dall’esterno e la sua radioattività intrinseca, già bassissima, può essere ridotta al minimo con un processo di purificazione.

Lo xenon

Lo xenon è un gas nobile inodore e incolore che si trova in tracce nell’atmosfera terrestre. È usato nelle lampade a fluorescenza o come propulsore di veicoli spaziali e si ottiene come sottoprodotto della separazione dell’aria in ossigeno e azoto.

Lo xenon nella ricerca della materia oscura

In fisica delle particelle lo xenon è usato come materiale in cui rivelare in modo diretto interazioni dovute al passaggio di particelle di materia oscura, come nell’esperimento XENON1T, in corso (ottobre 2018) presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN. Uno dei tanti motivi è che lo xenon liquido è un ottimo scintillatore, cioè un materiale che emette un debole lampo di luce quando una particella interagisce con uno dei suoi nuclei o elettroni. Lo xenon ha un punto di ebollizione relativamente alto (circa −100 °C), che consente di mantenerlo per lungo tempo allo stato liquido con opportuni accorgimenti. Inoltre, questo elemento è abbastanza pesante (il suo nucleo è costituito da 131 tra protoni e neutroni), perciò offre un ampio bersaglio alle eventuali particelle di materia oscura che lo attraversano. Lo xenon ha diversi isotopi (stesso elemento, ma con un numero diverso di neutroni) che potrebbero interagire in modo diverso con la materia oscura, permettendo di studiare eventualmente queste differenze. Oltre a ciò, è un elemento conveniente dal punto di vista sperimentale perché è denso (circa tre volte più dell’acqua), cosa che permette di costruire in dimensioni relativamente ridotte rivelatori massicci – requisito fondamentale quando si va a caccia di interazioni che hanno bassissima probabilità di avvenire. Lo xenon è un elemento molto puro: a parte contaminazioni da kripton, che però viene rimosso in un processo di distillazione, lo xenon non contiene radioattività intrinseca, un serio fattore di disturbo per esperimenti di questo tipo. È anche in grado di assorbire le radiazioni provenienti dall’esterno in pochi centimetri di spessore, perciò se nel rivelatore se ne utilizza un ampio volume, si potrà ottenere la parte centrale di liquido quasi priva di radiazioni ambientali.

Alternative allo xenon per studiare la materia oscura

Le caratteristiche dello xenon sono molto favorevoli per progettare una certa tipologia di esperimento, ma questo elemento non è l’unico materiale utilizzato negli esperimenti per la ricerca della materia oscura. Un elemento usato in rivelatori simili a quello di XENON1T è l’argon, un altro gas nobile, ma più leggero, impiegato ad esempio nel rivelatore di DARKSIDE ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Negli stessi laboratori sono in corso altri esperimenti (ottobre 2018) che impiegano una diversa tipologia di rivelatori, contenenti cristalli di ioduro di sodio (esperimento CRESST) e tungstato di calcio (esperimento DAMA). Altri rivelatori ancora fanno uso di semiconduttori come germanio e silicio o di superheated liquid: materiali liquidi tenuti a una temperatura più alta del loro punto di ebollizione.