Cryogenic characterisation of the FBK NUV-HD-cryo Silicon Photomultipliers for the DarkSide-20k dark matter experiment

Profondamente sotto il Gran Sasso in Italia, un massiccio esperimento viene costruito per ascoltare il debole sussurro degli abitanti più elusivi dell'universo: la materia oscura. Gli scienziati credono che questa sostanza invisibile costituisca la maggior parte della materia nel cosmo, eppure interagisce raramente con le cose ordinarie che possiamo vedere e toccare. Per cogliere un riflesso di una particella di materia oscura, i ricercatori utilizzano un serbatoo riempito di tonnellate di argon liquido, un fluido super-freddo che funge sia da bersaglio che da rivelatore. Quando una particella di materia oscura colpisce un atomo di argon, crea un minuscolo lampo di luce. La sfida è che questi lampi sono incredibilmente fiocchi, spesso composti da soli pochi fotoni, e avvengono in un mare di rumore di fondo. Per vederli, l'esperimento ha bisogno di occhi che siano non solo abbastanza sensibili da catturare un singolo fotone, ma anche abbastanza silenziosi da non generare i propri segnali falsi nel buio gelido.

L'esperimento DarkSide-20k, attualmente in fase di costruzione, si affida a un nuovo tipo di sensore di luce chiamato fotomoltiplicatore al silicio. A differenza dei tradizionali tubi a vuoto utilizzati negli esperimenti precedenti, questi sensori sono dispositivi a stato solido fatti di silicio, simili ai chip di un computer ma progettati per rilevare la luce. Sono stati scelti per la loro capacità di operare a temperature estremamente basse e per la loro mancanza di radioattività naturale, il che è fondamentale perché qualsiasi radiazione di fondo proveniente dal sensore stesso potrebbe mimare un segnale di materia oscura. Tuttavia, questi sensori dovevano essere perfezionati per il compito. Le prime versioni hanno avuto difficoltà nel freddo, generando troppo rumore interno e creando segnali falsi che avrebbero annebbiato i deboli sussurri della materia oscura. I ricercatori dovevano dimostrare che l'ultima generazione di questi sensori, sviluppata dalla Fondazione Bruno Kessler, potesse operare senza errori nell'ambiente ostile dell'argon liquido.

Per garantire che i sensori fossero pronti per il lavoro nel profondo sottoterra, un team di scienziati ha condotto una serie rigorosa di test in due diversi laboratori, uno in Canada e uno in Italia. Hanno raffreddato i sensori fino a 77 Kelvin, una temperatura di appena 77 gradi sopra lo zero assoluto, che è la stessa temperatura dell'azoto liquido. In questo stato di gelo, hanno misurato come si comportavano i sensori quando si trovavano nel buio totale. Hanno contato gli impulsi elettronici casuali che si verificano anche senza luce, noti come rumore oscuro, e hanno scoperto che i nuovi sensori erano straordinariamente silenziosi. Il tasso di questi segnali falsi era abbastanza basso da permettere all'esperimento di distinguere un evento reale dal rumore di fondo. Hanno anche studiato come i sensori reagivano quando un singolo fotone li colpiva, misurando la carica elettrica prodotta. Ciò ha permesso loro di calcolare il guadagno del sensore, ovvero quanto esso amplifica un segnale minuscolo, e ha confermato che questa amplificazione aumenta in modo prevedibile all'aumentare del voltaggio.

Una parte critica della sperimentazione ha riguardato la comprensione di come i sensori possano accidentalmente attivare l'uno l'altro. Quando un fotone colpisce un sensore e crea un segnale, può talvolta rilasciare un fotone secondario che vola verso un sensore vicino, causando una reazione a catena di segnali falsi. I ricercatori hanno misurato questo "crosstalk" (diafonia) e hanno scoperto che, sebbene accada, i nuovi sensori sono stati progettati per sopprimerlo significativamente. Hanno anche esaminato l' "afterpulsing", un fenomeno in cui un sensore scatta nuovamente poco dopo l'impatto iniziale a causa di cariche elettriche intrappolate. Il nuovo design ha ridotto questo effetto così tanto da renderlo ormai praticamente trascurabile per le necessità dell'esperimento. Questi risultati hanno confermato che i sensori non avrebbero creato un ammasso confusionario di falsi allarmi nel rivelatore finale.

Il team ha poi rivolto l'attenzione a quanto bene i sensori potessero effettivamente vedere la luce che sono progettati per rilevare. Nell'esperimento DarkSide-20k, l'argon liquido emette luce nell'intervallo dell'ultravioletto, che è invisibile ai sensori. Per rendere questa luce visibile, il serbatoio è rivestito con una sostanza chimica speciale che assorbe la luce ultravioletta e la riemette come luce blu. I ricercatori hanno misurato l'efficienza dei sensori nel rilevare questa luce blu attraverso una vasta gamma di colori. Hanno scoperto che i sensori sono eccezionalmente bravi a catturare questi fotoni, con un'efficienza che raggiunge il picco di quasi il 50 percento. Ciò significa che per ogni due fotoni del colore corretto che colpiscono il sensore, uno viene rilevato e registrato con successo. Hanno anche mappato come questa efficienza cambi con diverse lunghezze d'onda, confermando che i sensori sono perfettamente sintonizzati sulla specifica luce blu prodotta dal rivestimento dell'esperimento.

Infine, gli scienziati hanno indagato sui fotoni secondari emessi dagli stessi sensori durante un'avalanche di carica elettrica. Questi fotoni erranti potrebbero viaggiare attraverso l'argon liquido e attivare altri sensori, creando una forma di crosstalk esterno che i modelli informatici dell'esperimento devono tenere in considerazione. Proiettando un laser sui sensori e catturando la debole luce che essi emettevano con una fotocamera sensibile, il team ha misurato lo spettro e l'intensità di questa luce secondaria. Hanno utilizzato queste misurazioni per prevedere quanti di questi fotoni erranti uscirebbero dal sensore e viaggerebbero attraverso l'argon liquido nel rivelatore finale. Questi dati sono vitali per costruire simulazioni informatiche accurate dell'esperimento, permettendo ai fisici di distinguere tra segnali reali di materia oscura e la complessa rete di interazioni causate dai sensori stessi.

La sperimentazione completa descritta in questo articolo conferma che i nuovi sensori al silicio sono pronti per la sfida. Essi combinano alta sensibilità con basso rumore e minima interferenza, rendendoli ideali per l'esperimento DarkSide-20k. Dimostrando che questi dispositivi possono operare in modo affidabile nelle estreme condizioni di freddo e rilevare accuratamente i deboli lampi di luce derivanti dalle potenziali interazioni della materia oscura, i ricercatori hanno gettato una solida base per una delle ricerche di materia oscura più sensibili mai tentate. Il lavoro assicura che, quando il rivelatore sarà pienamente operativo, starà ascoltando con le orecchie più chiare possibili, pronto ad ascoltare i segreti più profondi dell'universo.