CON XENON1T, IL CACCIATORE DI MATERIA OSCURA

Osservato in Italia l’evento più raro di sempre

Registrato nei Laboratori nazionali del Gran Sasso, è un particolare tipo di decadimento dell’isotopo xenon-124: il suo tempo di dimezzamento è risultato pari a oltre mille miliardi di volte l’età dell’universo. Il risultato è pubblicato su Nature

Una fase della costruzione di Xenon1T. Crediti: Infn

Prima di entrare nella notizia, un assist alla benemerita comunità dei wikipediani. Se volete essere i primi ad aggiornare la voce Xeno della nostra enciclopedia preferita, è la vostra occasione: l’emivita dell’isotopo xenon-124 non è 1.1 x 1017 anni, come ancora è riportato nella versione italiana mentre stiamo scrivendo, bensì 1.8 x 1022 anni. Un intervallo di tempo monstre: oltre mille miliardi di volte l’età dell’universo. Detto altrimenti: se vi mettete a fissare un atomo di xenon-124 aspettando pazientemente che decada in tellurio-124, dovrete attendere in media circa 26mila miliardi di miliardi di anni.

Ora la notizia: qualcuno lo ha fatto. E ha visto accadere ciò che nessun altro prima aveva visto mai. L’evento statisticamente più raro che mai sia stato osservato nella storia dell’umanità. È successo in Italia, nei Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Infn. C’è voluta moltissima pazienza, certo, ma non 26mila miliardi di miliardi di anni: sono stati sufficienti un anno e una settimana, dal 2 febbraio 2017 all’8 febbraio 2018. Anzi, anche meno, perché i giorni “utili” sono stati 178. Poco meno di sei mesi, dunque, durante i quali l’evento più raro di sempre è stato visto accadere grosso modo 126 volte. Il trucco è presto detto: invece di fissare un solo atomo, i fisici che hanno compiuto l’impresa di atomi di xenon-124 ne hanno tenuti sott’occhio circa un milione di miliardi di miliardi: quanti ne contiene Xenon1T – il più grande e sensibile esperimento al mondo per la caccia alle particelle di materia oscura. Esperimento che di atomi di xenon ne ospita in realtà assai di più – ben 3.2 tonnellate – ma un po’ perché quelli tenuti sotto controllo dai fotomoltiplicatori sono “solo” due tonnellate e, soprattutto, perché di quelle due tonnellate appena un millesimo è costituito da atomi dell’isotopo 124, ecco che – calcolatrice e numero di Avogradro alla mano – si arriva alla cifra che dicevamo.

Ma cosa c’entra la materia oscura con il decadimento dello xenon? Domanda più che legittima: non c’entra praticamente nulla. Se non che intercettare una particella di materia oscura richiede – o almeno così sperano i fisici, visto che fino a oggi non ne è mai stata vista una – un apparato sperimentale talmente sensibile ed esente dal rumore di fondo da consentire anche una misura estrema come quella, appunto, del decadimento dello xenon-124 riportata oggi sulle pagine di Nature dalla collaborazione dell’esperimento Xenon.

Rappresentazione schematica della trasformazione da xenon-124 a tellurio-124 attraverso il processo di doppia cattura elettronica con emissione di neutrini. Fonte: poster on double electron capture presented at Neutrino 2018 by Alexander Fieguth and Christian Wittweg

Vediamo dunque un po’ più in dettaglio cos’è che rende questo processo così raro. Il normale decadimento per cattura elettronica si verifica quando un elettrone viene assorbito dal nucleo del proprio atomo, dando luogo alla trasformazione di un protone in un neutrone (nonché all’emissione di un neutrino). Per alcuni isotopi particolari, però, il fenomeno avviene con due elettroni alla volta (e questo contribuisce a spiegarne la rarità), tornando dunque indietro nella tavola periodica di due caselle in un colpo solo: un processo che i fisici chiamano “doppia cattura elettronica”, fino a oggi osservato solo per due isotopi (krypton-78 e bario-130). Nel caso della trasformazione da xenon-124 a tellurio-124 osservata al Gran Sasso, l’emivita raggiunge appunto il livello record di cui parlavamo in apertura, rendendolo – da un punto di vista statistico – l’evento a oggi più raro al quale sia mai stato possibile assistere nell’universo.

Un risultato che va oltre il semplice primato. Aiuterà infatti i fisici ad affinare le conoscenze su questi rari processi di decadimento, a comprendere meglio la struttura dei nuclei atomici e, soprattutto, rappresenta un passo importante per lo studio di un altro fenomeno affine e per ora solo teorizzato: la doppia cattura elettronica senza emissione di neutrini – il sacro Graal nella caccia al fermione di Majorana, ovvero una particella che è anche l’antiparticella di sé stessa. Inoltre, come sottolineano giustamente orgogliosi i fisici della collaborazione, il risultato ottenuto conferma l’eccellente riduzione del rumore di fondo che si è riusciti a raggiungere con Xenon1T. Certo, se è stato più facile assistere all’evento più raro mai osservato nell’universo che intercettare una particella di materia oscura, a guardare il bicchiere mezzo vuoto viene anche da pensare che di tenacia – per mettere le mani su quell’80 per cento di materia che ancora ci sfugge – ce ne vorrà davvero parecchia.

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