2.2 Fasi del progetto XENON
2.2.1 XENON10
Il progetto XENON inizia con l’esperimento XENON10, attivo dal 2005 al 2007. La quantit`a di xeno liquido nella TPC era pari a 15 kg, di cui 5.4 kg costituivano la massa fiduciale.
Con una presa dati di 58.6 giorni i risultati del 2008 hanno potuto sta- bilire un limite superiore alla sezione d’urto d’interazione WIMP-nucleone sia indipendente, che dipendente dallo spin. XENON10 ha raggiunto una
sensibilit`a per sezioni d’urto indipendenti dallo spin (al 90% del livello di confidenza) pari a 8.8 × 10−44 cm2 per una WIMP di massa 100 GeV e di
4.5 × 10−44 cm2 per una WIMP di massa 30 GeV [44]. Nel caso di sezioni d’urto spin-dependent la sensibilit`a raggiunta `e pari a 5 × 10−39cm2 per una
WIMP di massa 30 GeV [45].
2.2.2
XENON100
XENON100 `e la seconda fase del progetto XENON, attualmente in acqui- sizione dati. Rispetto al suo prototipo, la quantit`a di xeno `e aumentata di un ordine di grandezza, esattamente `e pari a 161 kg, di cui 62 kg costituiscono la massa fiduciale. In seguito all’aumento della massa del bersaglio di xeno e ad un lavoro di riduzione del background sulla scelta dei materiali di cui `e costituito il rivelatore, il fondo `e stato ridotto di un fattore 100.
Dopo 225 giorni di presa dati non `e stata trovata evidenza di materia oscura; sono stati osservati 2 eventi nella regione energetica di interesse, ma consistenti con il fondo atteso di (1.0±0.2) eventi. Sono per`o stati fissati nuovi limiti pi`u stringenti alla sezione d’urto d’interazione, al 90% del liv- ello di confidenza. Per quanto concerne la sezione d’urto per un’interazione WIMP-nucleo indipendente dallo spin l’esperimento ha raggiunto una sen- sibilit`a di 2.0 × 10−45 cm2 per una WIMP di massa 55 GeV/c2 [39] (Fig.
2.3 sinistra). Per un’interazione WIMP-neutrone indipendente dallo spin la
Figura 2.3: Limiti sperimentali per sezioni d’urto WIMP-nucleo indipenden- ti (sinistra) [39] e dipendenti (destra) [40] dallo spin, al 90% del livello di confidenza. Nel caso di interazioni spin-dipendenti il grafico si riferisce alla diffusione di una WIMP su un neutrone. Le zone ombreggiate sono ottenute da calcoli teorici.
Fasi del progetto XENON 47
sensibilit`a raggiunta `e 3.5 × 10−40 cm2 per una WIMP di massa 45 GeV/c2
[40] (Fig. 2.3 destra).
2.2.3
XENON1T
Terza fase del progetto XENON `e XENON1T, che sar`a collocato nella sala B dei LNGS e la cui costruzione `e partita nell’estate 2013. Questo rivelatore sfrutter`a una quantit`a totale di xeno pari a circa 2.4 tonnellate [42], di cui circa 1 tonnellata costituir`a la massa fiduciale. Grazie alle sue dimensioni, ad un’attenta selezione dei materiali a bassa radioattivit`a di cui `e costituito, ad un sistema di purificazione dello xeno dai suoi contaminanti, si `e potuto ridurre il fondo (Par. 2.3) in maniera tale che il rivelatore potr`a raggiungere una sensibilit`a due volte inferiore agli attuali limiti sperimentali, pari a 2 × 10−47 cm2 per una WIMP di massa 50 GeV.
La rappresentazione schematica della TPC di XENON1T ed una tabella in cui sono riassunte le sue dimensioni principali sono riportate in Fig. 2.4 [46]. Il volume sensibile di LXe della TPC `e confinato in un cilindro di 96
Figura 2.4: Rappresentazione schematica della TPC dell’esperimento XENON1T (sinistra), in costruzione dall’estate 2013 ai LNGS, e tabella riassuntiva con le principali caratteristiche tecniche (destra) [46].
cm di diametro e 95 cm di altezza, rivestito all’interno di PTFE, efficace riflettore di raggi VUV. Il campo elettrico di deriva sar`a pari a 1 kV/cm, mentre quello di estrazione sar`a dell’ordine di 100 kV/cm; l’efficienza di estrazione risulta di circa il 100%. La raccolta della luce avverr`a tramite due gruppi di PMT Hamamatsu R11410 3” [47] ad elevata efficienza quantica (∼ 35% per lunghezze d’onda di circa 178 nm) e bassa radioattivit`a, per un totale di 248 PMT, di cui 127 disposti sul top array e 121 sul bottom array (Fig. 2.5).
Figura 2.5: Fotomoltiplicatore Hamamatsu R11410 (sinistra) che sar`a situato nella TPC di XENON1T ed efficienza quantica (destra), che presenta un picco del 35% nella regione di lunghezza d’onda 178 nm.
Per immagazzinare lo LXe, ci si servir`a di un serbatoio dedicato, de- nominato ReStoX (Recovering and Storage system of XENON1T ), dotato di doppia parete con vuoto isolante in acciaio inox a bassa radioattivit`a [48]. La massa totale di xeno liquido sar`a mantenuta in tale contenitore ed al momento dell’utilizzo verr`a portata all’interno del rivelatore, attraverso pressurizzazione della tanica per opera di un opportuno “riscaldatore” posto alla base.
2.3
Contributi al fondo
Per migliorare la sensibilit`a alle sezioni d’urto WIMP-nucleo di due ordini di grandezza `e necessarrio ridurre il pi`u possibile tutte le sorgenti di background. In XENON1T le principali sorgenti di segnale dovute al fondo sono di 3 tipi: fondo interno, intrinseco ed esterno.
Contributi al fondo 49
2.3.1
Fondo interno
Il fondo interno `e dovuto alla radioattivit`a dei materiali che costituiscono il rivelatore; per la realizzazione di XENON1T `e stata svolta una campagna di studio al fine di scegliere materiali ultrapuri. `E stato infatti stabilito che si utilizzer`a un criostato in acciaio inox e saranno installati nella TPC dei PMT non dotati della catena di resistenze standard.
Alcuni elementi, come il 40K e 60Co, presenti all’interno dei materiali
utilizzati per la TPC, decadono emettendo gamma che possono provocare il rinculo di elettroni. Questo tipo di fondo pu`o essere ridotto diminuendo il volume fiduciale dello xeno, in maniera da utilizzare parte del rivelatore come schermo per il volume pi`u interno. Dalle simulazioni si evince che il numero di eventi di fondo si riduce a 0.07 ev/ton/anno.
Un’altra contaminazione `e dovuta al rinculo nucleare in seguito a reazioni del tipo (α, n), che coinvolgono le catene di decadimento di U/Th, presenti nel materiale di cui `e costituito il rivelatore. Per ridurre tale fondo si sfrutta il fatto che i neutroni producono interazioni multiple, soppresse dalle bassis- sime sezioni d’urto delle WIMP, con un numero atteso di eventi pari a 0.1 ev/ton/anno.
In conclusione, il fondo interno totale `e di gran lunga inferiore al tasso atteso di eventi da WIMP di massa 100 GeV e sezione d’urto 10−47 cm2, il
cui valore `e di circa 1.1 ev/ton/anno.
2.3.2
Fondo intrinseco
Il fondo intrinseco `e dovuto principalmente alla contaminazione dello xeno dal 85Kr, che decade β con energia pari a 687 keV e tempo di dimezzamento
pari a 10.76 anni, e dal Rn. Per mantenere una soglia bassa di questo tipo di fondo si richiede un livello di contaminazione inferiore ad 1 ppt.
Lo xeno che normalmente si trova in commercio presenta una contamina- zione da 85Kr al livello di 1 ppm, troppo elevata per essere utilizzato diret- tamente. Si pu`o ridurre tale impurit`a attraverso una colonna di distillazione che sfrutta le diverse temperature di ebollizione (120 K per il Kr e 165 K per lo Xe, ad 1 atm), abbassando la concentrazione del Kr a livello di 1 ppt, con velocit`a di circa 0.6 kg/h.
Si sta studiando anche un metodo di purificazione dal Rn, che avverrebbe durante la ricircolazione dello xeno. Si potrebbero utilizzare atomi di car- bonio, ottimi assorbitori di Rn. Dato che il carbonio pu`o assorbire anche lo xeno, la purificazione potrebbe essere effettuata a temperature di poco su- periori a quella di liquefazione, sfruttando la maggiore mobilit`a del Rn allo stato gassoso.
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E inoltre importante ridurre la presenza di impurit`a elettronegative, quali O2 e H2O, che a causa dell’ampia regione di deriva nella TPC di XENON1T
(circa 95 cm), devono mantenere concentrazioni sotto ad 1 ppm. Il livello di purezza dello xeno deve chiaramente essere mantenuto anche nelle fasi successive al riempimento del rivelatore, ma ci`o costituisce un problema, dato che lo xeno liquido risulta essere un solvente efficace e quindi pu`o catturare impurit`a a contatto con i materiali che costituiscono il rivelatore stesso.