Measurement of the Ar specific activity in atmospheric argon with DArT at the Canfranc Underground Laboratory
Utilizzando il rivelatore DArT presso il Laboratorio Sotterraneo di Canfranc, i ricercatori hanno misurato l'attività specifica dell' nell'argon atmosferico pari a , stabilendo la determinazione più precisa ad oggi e convalidando il rivelatore per futuri esperimenti sulla materia oscura.
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Profondamente sotto la superficie terrestre, in un tranquillo laboratorio scavato nei monti Pirenei in Spagna, gli scienziati ascoltano i sussurri più deboli dell'universo. Sono alla ricerca della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa del cosmo ma che rifiuta di interagire con la luce. Per coglierne un riflesso, i ricercatori utilizzano serbatoi riempiti di argon liquido, un gas nobile che brilla brevemente quando viene colpito da una particella. Questo bagliore funge da segnale, un lampo di luce che comunica a un rilevatore che è avvenuta una collisione. Tuttavia, c'è un problema con l'argon che respiriamo. L'argon presente nella nostra atmosfera contiene una piccola quantità di un isotopo radioattivo chiamato argon-39. Questo isotopo agisce come un costante rumore di fondo a basso livello, emettendo elettroni che possono imitare proprio i segnali che gli scienziati stanno cercando di individuare. Per ascoltare il debole sussurro della materia oscura, devono sapere esattamente quanto sia forte questo rumore e devono trovare una fonte di argon che ne sia completamente priva.
Un team di ricercatori ha recentemente condotto una misurazione precisa per determinare esattamente quanto esista di questo rumore radioattivo nell'argon atmosferico. Hanno utilizzato un piccolo rilevatore altamente sensibile chiamato DArT, che si trova all'interno di un criostato riempito di azoto liquido per mantenere l'argon freddo e liquido. L'esperimento è stato progettato per essere il più pulito possibile, utilizzando un punto di riferimento unico: un campione di "argon sotterraneo". Questo gas speciale è stato estratto da pozzi profondi in Colorado, dove è rimasto isolato dall'atmosfera per milioni di anni, il che significa che non ha quasi più traccia di argon-39 radioattivo. Confrontando il livello di rumore dell'argon atmosferico con quello dell'argon sotterraneo, quasi silenzioso, il team è riuscito a misurare l'attività specifica dell'isotopo radioattivo con un'accuratezza senza precedenti.
I ricercatori hanno riempito il loro rilevatore prima con l'argon atmosferico e poi con il campione sotterraneo. All'interno del rilevatore, l'argon liquido funge sia da sorgente della radiazione che da mezzo per catturare la luce. Quando un atomo di argon-39 decade, rilascia un elettrone che crea un lampo di luce. Il rilevatore, dotato di sensori di luce ultra-sensibili, conta questi lampi. Poiché l'argon sotterraneo ha un livello di radioattività così basso, ha servito come perfetto riferimento di fondo. Il team non ha dovuto fare affidamento su complesse simulazioni informatiche per indovinare quale dovesse essere l'aspetto del rumore di fondo; potevano semplicemente sottrarre il segnale del campione sotterraneo dal segnale del campione atmosferico. Questo confronto diretto ha eliminato molte delle incertezze che solitamente affliggono tali misurazioni.
Lo studio ha fornito un numero molto preciso per l'attività specifica dell'argon-39 nell'atmosfera: 0,955 decadimenti al secondo per ogni chilogrammo di argon. Questo risultato è coerente con le misurazioni precedenti ma è significativamente più preciso, riducendo l'incertezza di un fattore tre rispetto ai migliori dati precedenti. I ricercatori hanno confermato questo risultato utilizzando due metodi diversi: una tecnica di conteggio diretta e un'analisi statistica più complessa dello spettro energetico. Entrambi gli approcci sono giunti alla stessa conclusione, rafforzando l'affidabilità del risultato. Hanno anche controllato attentamente altre fonti di interferenza, come perdite di azoto o altri contaminanti radioattivi, e hanno constatato che il loro rilevatore è rimasto stabile e puro durante i lunghi periodi di acquisizione dei dati.
Questa misurazione è un tassello fondamentale per i futuri esperimenti che mirano a rilevare la materia oscura. Progetti come DarkSide-20k e LEGEND-1000 prevedono di utilizzare centinaia di tonnellate di argon liquido per dare la caccia alle particelle di materia oscura. Affinché questi massicci rilevatori possano funzionare, devono utilizzare argon che sia stato purificato per rimuovere l'argon-39 radioattivo. Sapere l'esatta quantità iniziale di radioattività nel gas atmosferico grezzo permette agli scienziati di calcolare quanta purificazione sia necessaria e di prevedere con fiducia i livelli di rumore di fondo nei loro esperimenti finali. Il successo del rilevatore DArT in questo test valida anche la tecnologia che sarà utilizzata nelle più grandi strutture sotterranee, dimostrando che i sensori e i sistemi criogenici possono operare in modo affidabile nelle dure condizioni richieste da queste investigazioni nello spazio profondo.
Le scoperte hanno implicazioni che vanno oltre la fisica delle particelle. L'argon-39 viene utilizzato per datare le acque sotterranee e il ghiaccio, aiutando gli scienziati a comprendere la storia del clima e il movimento dell'acqua su scale temporali che vanno da decenni a un millennio. L'incertezza nel livello di attività atmosferica influisce direttamente sull'accuratezza di queste datazioni. Definendo questo valore con tale precisione, i ricercatori hanno fornito un riferimento più affidabile per la datazione di campioni d'acqua giovani. Il lavoro dimostra che, utilizzando un semplice confronto diretto tra due campioni di gas — uno rumoroso e uno silenzioso — gli scienziati possono eliminare le congetture e rivelare la vera natura dei materiali che compongono il nostro mondo e l'universo oltre.
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