Characterization of spurious-electron signals in the double-phase argon TPC of the DarkSide-50 experiment

La ricerca della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo, è una delle imprese più ambiziose della fisica moderna. Gli scienziati ritengono che, se riuscissero a catturare un singolo granello di materia oscura che urta un atomo, potrebbero svelare i segreti del cosmo. Per fare ciò, i ricercatori costruiscono enormi rivelatori ultra-sensibili nelle profondità del sottosuolo, schermati dai raggi cosmici e da altri rumori di fondo. Questi rivelatori sono spesso riempiti di gas nobili liquidi, come l'argon o lo xeno, mantenuti a temperature più fredde dello spazio esterno. Quando una particella colpisce un atomo nel liquido, crea un minuscolo lampo di luce e libera gli elettroni. Il rivelatore cattura questi segnali per ricostruire l'evento. Tuttavia, la caccia è incredibilmente difficile perché si prevede che i segnali della materia oscura siano deboli, spesso composti da soli pochi elettroni. Per trovarli, gli scienziati devono essere in grado di distinguere un vero impatto di materia oscura da qualsiasi altra fonte di rumore che possa imitarlo. Se il rivelatore non riesce a percepire la differenza, il debole segnale si perde nel fruscio statico.

Nell'esperimento DarkSide-50, situato in profondità all'interno di una montagna in Italia, un team di fisici ha trascorso anni studiando un tipo specifico di rumore che li aveva confusi: gli "elettroni spurii". Si tratta di elettroni vaganti che appaiono nel rivelatore senza alcuna causa ovvia, come un decadimento radioattivo o una collisione di materia oscura. Si presentano come piccoli segnali che somigliano agli impatti più deboli che una particella di materia oscura potrebbe produrre. Per anni, questi eventi sono stati un mistero, e la loro presenza ha costretto gli scienziati a ignorare i livelli di energia più bassi dei loro dati, rendendoli di fatto ciechi rispetto alle particelle di materia oscura più leggere e insidiose. I ricercatori volevano sapere esattamente da dove provenissero questi elettroni e come fermarli. Analizzando migliaia di ore di dati dal loro rivelatore ad argon liquido, hanno scoperto che questi segnali indesiderati non erano glitch casuali, ma piuttosto rilasci ritardati di elettroni intrappolati da impurità invisibili nel liquido e, in alcuni casi, causati dalla luce interna del rivelatore stesso.

L'esperimento si è svolto in un serbatoio cilindrico riempito con 46 chilogrammi di argon sotterraneo, una rara forma di gas che è stata privata di un isotopo radioattivo naturale per rendere il rivelatore più pulito. Il serbatoio è circondato da una parete di plastica riflettente ed è rivestito di sensori speciali in grado di rilevare i lampi di luce più deboli. Quando si verifica un evento, l'argon liquido produce un lampo di luce immediato, seguito da un segnale ritardato creato dagli elettroni che risalgono attraverso il liquido verso un sottile strato di gas, dove producono un secondo lampo, più luminoso. Il team si è concentrato sui segnali più piccoli, quelli che coinvolgono meno di quattro elettroni, che sono i più difficili da separare dal rumore di fondo. Hanno scoperto che una parte significativa di questi eventi, tra il 30 e il 70 percento a seconda del tempo, non era casuale ma legata a eventi precedenti nel rivelatore.

I ricercatori hanno scoperto che questi elettroni spurii venivano spesso rilasciati con un ritardo dopo un evento più grande. Hanno osservato due modelli principali di ritardo: un rilascio più veloce che avviene circa 5 millisecondi dopo l'evento iniziale, e un rilascio più lento che richiede circa 40-80 millisecondi. In alcuni casi, quando il sistema utilizzato per purificare il gas argon veniva temporaneamente spento per la manutenzione, appariva un terzo tipo di ritardo, della durata di circa 16 millisecondi. Questa tempistica era cruciale perché suggeriva che gli elettroni non apparivano dal nulla, ma venivano catturati dalle impurità nel liquido e poi rilasciati successivamente. Lo studio ha dimostrato che la frequenza di questi eventi era direttamente collegata a quanto fosse pulito il liquido. Quando il sistema di purificazione era in funzione, la frequenza di questi elettroni ritardati diminuiva. Quando il sistema veniva bypassato, la frequenza aumentava drasticamente, confermando che le impurità chimiche erano la causa.

Per comprendere la natura di queste impurità, il team ha esaminato il comportamento degli elettroni. Hanno scoperto che la probabilità che un elettrone venga intrappolato e rilasciato in seguito aumentava se l'evento originale avveniva più in profondità nel liquido, il che significa che l'elettrone doveva percorrere una distanza maggiore. Ciò ha confermato che gli elettroni fluttuavano attraverso il liquido e rimanevano intrappolati da qualcosa lungo il percorso. I ricercatori hanno inoltre notato che il numero di elettroni rilasciati in un singolo evento spurio era solitamente piccolo, spesso solo uno o due, ma talvolta di più. Hanno scoperto che la probabilità di rilasciare più elettroni contemporaneamente era coerente con un meccanismo specifico: la luce dell'evento iniziale colpiva una griglia metallica all'interno del rivelatore e staccava elettroni secondari. Questa griglia, che aiuta a guidare gli elettroni, agiva come una minuscola, involontaria fonte di elettroni quando colpita dalla luce del rivelatore stesso.

Lo studio ha anche escluso diverse altre possibilità. I ricercatori hanno controllato se i ritardi fossero causati dall'impurità più comune, l'ossigeno, ma hanno scoperto che il comportamento degli elettroni spurii non corrispondeva a quanto ci si aspetterebbe dall'ossigeno. Hanno esaminato anche l'azoto, un altro potenziale contaminante, ma i dati suggerivano che i livelli fossero troppo bassi per essere la causa principale. Inveve, le prove indicavano un mix di diverse impurità, alcune delle quali potevano essere gas volatili che si muovono facilmente tra le fasi liquida e gassosa, e altre che potevano essere molecole più complesse. Il team ha inoltre scoperto che la frequenza di questi eventi era correlata alla temperatura di una trappola fredda utilizzata per rimuovere il radon, suggerendo che almeno una delle impurità veniva catturata da questo filtro freddo.

Forse la cosa più importante è che i ricercatori hanno scoperto che gli eventi "non correlati" — quelli che non sembravano seguire un evento precedente — potrebbero far parte della stessa famiglia. Hanno osservato un piccolo numero di eventi che sembravano avere un ritardo molto più lungo, superiore a un secondo, troppo lungo per essere tracciato facilmente nei loro dati. Sospettano che molti degli eventi che consideravano casuali fossero in realtà rilasci ritardati di impurità che non erano ancora state identificate. Lo studio suggerisce che, se la fonte di questi elettroni potrà essere meglio compresa e controllata, i futuri esperimenti saranno in grado di abbassare la loro soglia di rilevamento. Ciò permetterà loro di vedere segnali ancora più deboli, aprendo la porta alla scoperta di particelle di materia oscura più leggere che sono rimaste nascoste fino ad ora.

Il lavoro svolto dalla collaborazione DarkSide-50 fornisce una chiara tabella di marcia per migliorare la sensibilità delle future ricerche sulla materia oscura. Identificando che questi segnali spurii sono in gran parte causati da elettroni intrappolati dalle impurità e rilasciati con un ritardo, il team ha portato il campo dalla supposizione alla conoscenza. Hanno dimostrato che la purezza del liquido è fondamentale e che la progettazione del rivelatore, incluse le parti dei materiali utilizzati per le griglie interne, gioca un ruolo critico nel minimizzare il rumore di fondo. Le scoperte suggeriscono che, con sistemi di purificazione migliori e una selezione attenta dei materiali, la prossima generazione di rivelatori sarà in grado di scrutare più a fondo nei segreti oscuri dell'universo rispetto ad oggi, trasformando quello che un tempo era un confuso rumore di fondo in una parte gestibile e comprensibile dell'esperimento.