Per lo sviluppo e l’ottimizzazione dei rivelatori basati sulla tecnologia ad Argon liquido, all’interno del DIFILab al Dipartimento di Fisica, sarà installato un grande criostato ARTIC (Argon Test Infrastracture), in cui sarà possibile effettuare test di nuovi dispositivi in liquidi criogenici e in particolare in Argon liquido ultrapuro. Il criostato sarà necessario per i test criogenici dei moduli del veto dell’esperimento di DarkSide e per lo sviluppo di nuovi rivelatori per la ricostruzione delle tracce di particelle dalla sola luce di scintillazione per il rivelatore del Near Detector dell’esperimento DUNE.

I rivelatori ad Argon Liquido, ideati negli anni ottanta da Carlo Rubbia, sono ormai molto diffusi negli esperimenti di grande scala nella fisica del neutrino e per la ricerca diretta della materia oscura. Date le proprietà dell’Argon liquido in termini di carica di ionizzazione e di luce di scintillazione,  prodotte dal passaggio di particelle cariche all’interno del liquido criogenico (87K), è infatti possibile sfruttare entrambi i segnali di carica e di luce per la ricostruzione spazio temporale della traccia della particella con una precisione molto elevata anche su volumi di grandi dimensioni. Poichè gli esperimenti di fisica del neutrino e di ricerca diretta di materia oscura hanno bisogno di grandi masse, per aumentare i numero delle interazioni dei neutrini o della possibile materia oscura, i rivelatori basati sulla tecnologia ad argon liquido risultano particolarmente adatti, grazie al fatto che possono essere facilmente scalati a masse di numerose tonnellate, garantendo comunque di ottenere precise informazioni sulla traccia delle particelle e sull’identificazione del tipo di particella che l’ha prodotta.

Esperimenti di ricerca diretta di materia oscura (come DarkSide che utilizzerà 20000 ton di Argon liquido) sfruttano camere a proiezione temporale a doppia fase per la rivelazione dei rinculi nucleari prodotti da possibili particelle di materia oscura e sono ottimizzati per la riduzione del fondo prodotto da segnali di rinculo elettronici o del fondo prodotto da altre particelle che attraversano il rivelatore (elettroni o gamma).

A questi si aggiungono esperimenti di sempre più grandi dimensioni, che hanno lo scopo di misurare con alta precisione i parametri di oscillazione dei neutrini, sia a lunga distanza, nell’esperimento DUNE al Fermilab e in South Dakota (in cui sono presenti due rivelatori uno vicino alla sorgente del fascio di neutrini (Near Detector 10000 ton) e uno lontano 1300 km (Far Detector costituito da 4 moduli da 40000 ton ciascuno!!)), sia a corta distanza distanza nell’esperimento Short Baseline Neutrino program (SBN) al Fermilab, in cui sono presenti 3 rivelatori ad Argon liquido posti a 110 m (SBND 112 ton), a 470 m (MicroBoone 80 ton) e 500 m (ICARUS 600 ton) dalla sorgente del fascio di neutrini.     

In particolare l’esperimento SBN consentirà di smentire o di scoprire l’esistenza di un nuovo tipo di neutrino, ipotizzato sulla base di risultati ottenuti da precedenti esperimenti e in anomalia con il modello standard delle particelle, mentre l’esperimento DUNE consentirà di confrontare con alta precisione i risultati ottenuti da un fascio di neutrini, rispetto a quelli ottenuti da un fascio di anti-neutrini in modo da misurare il parametro δCP, uno dei parametri ancora ignoto, che, se diverso da zero, potrebbe per spiegare l’asimmetria tra materia e antimateria presente nell’universo. Oltre a questo, DUNE consentirà di indagare processi fin’ora solo ipotizzati da teorie di grande unificazione, come il decadimento del protone, e sarà importante per studiare i neutrini provenienti da esplosioni di supernova, portando a risultati di notevole interesse anche nell’ambito astrofisico.