Development of SiPM at Cryogenic Temperatures: k-SiPM

Una delle domande aperte della Fisica moderna è legata alla conoscenza della composizione dell’universo: osservazioni su scala astronomica e cosmologica sembrano indicare che la maggior parte della materia dell’Universo (85%) sia oscura: una forma di materia non ancora rivelata e non presente nel Modello Standard. Tra i principali candidati sono le Weakly Interacting Massive Particles(WIMP), particelle dotate di massa che interagiscono debolmente con la materia ordinaria.

La rivelazione delle elusive WIMP implica l’utilizzo di rivelatori molto sensibili, ultrapuri e situati in ambienti in cui il fondo dovuto a radiazione cosmica o radioattività naturale sia il più basso possibile. Il progetto DEVELOPMENT OF SiPM AT CRYOGENIC TEMPERATURES (K-SiPM) (iniziato al Centro Ricerche Enrico Fermi nel 2018) è collegato all’esperimento Darkside-ARGO per la ricerca diretta di materia oscurapresso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare). L’esperimento si basa sull’uso di un bersaglio di Argon liquido proveniente da giacimenti sotterranei e sull’utilizzo di una innovativa tecnologia di fotorivelatori al silicio SiPM, sviluppati per l’uso a temperature criogeniche. Con una massa attiva prevista di 20 tonnellate, l’esperimento fornirà limiti stringenti sull’esistenza della materia oscura in forma di WIMP. Il rivelatore è un TPC (Time Projection Chamber) a doppia fase di Argon liquido e gassoso: l’interazione di una WIMP provoca il rinculo del nucleo di Argon (Ar) che eccita e ionizza altri atomi. Gli atomi eccitati producono una luce a scintillazione, S1, che è rivelata da fotosensori (SiPM), posizionati nella parte superiore e inferiore della TPC. Gli elettroni da ionizzazione driftano immediatamente verso la parte superiore della TPC grazie ad un campo elettrico applicato; nella parte superiore della TPC un campo elettrico molto più intenso estrae gli elettroni nella fase gassosa e li accelera abbastanza da produrre un segnale di luce scintillante secondario (elettroluminescenza), S2. Anche il segnale S2 è rilevato dai fotosensori. È così possibile avere una ricostruzione della posizione 3D dell’evento: le coordinate sul piano sono ottenute dal segnale S2 mentre la terza coordinata si ottiene dalla distanza in tempo tra S1 e S2. La posizione dell’evento e le caratteristiche dei segnali S1 e S2 sono utilizzati per discriminare segnali di WIMP da segnali di fondo.

Il contributo del CREF si concentra in tre direzioni: i) supporto allo sviluppo e test dei SiPM usati in ambiente criogenico; ii)  responsabilità dello sviluppo del database per i risultati dei test dei SiPM, da installare presso il centro di calcolo INFN-CNAF di Bologna; iii) sviluppo di programmi di outreach presso le scuole superiori sullo schema di quanto già in essere per il Progetto EEE.

Nell’ambito delle attività di outreach il gruppo del CREF ha realizzato un video promozionale su materia oscura, esperimento DarkSide e utilizzo dei SiPM.

Contatti: Dott. Marco Garbini