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La materia oscura potrebbe giocare a nascondino

Secondo tre ricercatori del Berkeley Lab, nei dati raccolti dagli attuali esperimenti progettati per dare la caccia alle ipotetiche particelle di materia oscura potrebbero esserci le tracce di nuovi segnali generati dall’interazione della materia oscura con i nuclei atomici. Tracce che, in una prima analisi, potrebbero essere passate inosservate

     06/05/2020
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Immagine prodotta da una simulazione che mostra l’evoluzione della materia oscura nell’universo. Crediti: Milennium-II Simulation

Finora la materia oscura si è celata a qualsiasi rivelatore progettato per scovarla. Anche se, per via dei suoi evidenti effetti gravitazionali, sappiamo che deve esistere e costituire circa l’85 percento della massa totale dell’universo. Ma di cosa sia fatta, rimane un mistero.

Diversi grandi esperimenti hanno cercato quelle che potrebbero essere le tracce lasciate da ipotetiche particelle di materia oscura quando colpiscono nuclei atomici, attraverso un processo noto come scattering, in grado di produrre, in seguito a queste interazioni, piccoli lampi di luce o altri segnali.

Ora un nuovo studio, condotto da ricercatori del Dipartimento dell’Energia del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e Uc Berkeley, suggerisce nuove strade per trovare i segnali delle particelle di materia oscura la cui energia potrebbe essere stata assorbita dai nuclei atomici. Il processo di assorbimento potrebbe infatti dare un “calcio” all’atomo, facendogli espellere una particella leggera, come un elettrone, che potrebbe produrre altri tipi di segnali, a seconda della natura della particella di materia oscura. La ricerca si concentra principalmente sui casi in cui, in seguito all’interazione, viene espulso un elettrone o un neutrino.

Lo studio, pubblicato il 4 maggio su Physical Review Letters, suggerisce che alcuni esperimenti esistenti, inclusi quelli che cercano particelle di materia oscura e processi legati ai neutrini, possono essere facilmente estesi per cercare anche questo tipo di segnali, coinvolti nei processi di assorbimento. Oltre a questo, i ricercatori propongono di effettuare nuove ricerche nei dati già esistenti, precedentemente acquisiti da vari rivelatori di particelle, dai quali potrebbero emergere questi segnali, passati finora inosservati.

Questo grafico mostra la sensibilità ai segnali di corrente carica di vari esperimenti. Crediti: Jeff A. Dror, Gilly Elor e Robert Mcgehee

Non avendo ancora trovato traccia delle Wimp, particelle dotate di massa che interagiscono debolmente con la materia solo tramite la gravità e l’interazione debole, i fisici stanno prendendo in considerazione altri luoghi in cui le particelle di materia oscura potrebbero nascondersi e altre possibili candidati come i neutrini sterili, che potrebbero rientrare tra le particelle note come fermioni. «È semplice, con piccole modifiche al paradigma Wimp, accogliere un diverso tipo di segnale», conferma Dror. «Si possono fare enormi progressi con costi molto bassi, rivedendo il modo in cui abbiamo sempre pensato la materia oscura».

I ricercatori fanno notare che la gamma di nuovi segnali su cui si stanno concentrando apre un oceano di possibilità per le particelle di materia oscura: fermioni, non ancora scoperti, con masse più leggere di quelle dell’intervallo tipico considerato per le Wimp. Per esempio, potrebbero essere cugini stretti dei neutrini sterili.

Il team ha considerato processi di assorbimento noti come “corrente neutra”, nei quali i nuclei del materiale del rivelatore rinculano o vengono scossi dalla collisione con particelle di materia oscura, producendo distinte firme energetiche che possono essere misurate dal rivelatore stesso; e anche quelli noti come “corrente carica”, che possono produrre più segnali quando una particella di materia oscura colpisce un nucleo, causando un rinculo e l’espulsione di un elettrone. Quest’ultimo processo può anche comportare il decadimento nucleare, in cui altre particelle vengono espulse dal nucleo come una sorta di effetto domino, innescato dall’assorbimento della materia oscura.

La ricerca delle tracce suggerite dallo studio dei processi della corrente neutra e di quella carica, potrebbe aprire ordini di grandezza nello spazio dei parametri finora inesplorato, osservano i ricercatori che attualmente si stanno concentrando sui segnali dell’ordine di milioni di elettronvolt (per confronto, le tipiche ricerche di Wimp sono sensibili alle interazioni delle particelle con energie nell’intervallo di migliaia di elettronvolt).

Per le varie interazioni tra particelle che i ricercatori hanno esplorato nello studio, è possibile prevedere quale sia lo spettro di energia della particella che riesce a sfuggire dall’atomo o del nucleone che è stato colpito, dove con nucleone si intende un protone o un neutrone che risiede nel nucleo di un atomo e che potrebbe assorbire energia quando colpito da una particella di materia oscura. Il punto è che questi segnali di assorbimento potrebbero essere più comuni rispetto a quelli per i quali sono stati progettati i comuni rivelatori di materia oscura. Esperimenti caratterizzati da grandi volumi di materiale usato come rivelatore, con alta sensibilità e bassissimo rumore di fondo o interferenze generate da altri tipi di segnali, sono particolarmente adatti per questa ricerca.

La matrice di tubi fotomoltiplicatori dell’esperimento Lux-Zeplin per la caccia alle Wimp, durante l’assemblaggio presso la Sanford Underground Research Facility a Lead, nel Sud Dakota. Crediti: Matt Kapust/Surf

Lux-Zeplin (Lz), ad esempio, è un progetto di ricerca di materia oscura guidato dal Berkeley Lab, in costruzione in un’ex miniera del Sud Dakota, che rappresenta un possibile candidato in quanto utilizzerà come mezzo rivelatore circa 10 tonnellate di xeno liquido. Il team di ricercatori che ha partecipato allo studio ha già lavorato con il team che gestisce Enriched Xenon Observatory (Exo), un esperimento sotterraneo alla ricerca di un processo teorico noto come doppio decadimento beta senza neutrini utilizzando lo xeno liquido, per aprire la ricerca a questi diversi tipi di segnali generato dalla materia oscura. E per questi esperimenti, attivi e funzionanti, i dati sono già lì e si tratterebbe solo di riguardarli.

Secondo i ricercatori, alcuni degli esperimenti che potrebbero avere dati rilevanti, oltre che la capacità di trovare i segnali che si aspettano, sono: Cuore, predecessore di Lz Lux, PandaX-II, Xenon1t, Kamland-Zen, SuperKamiokande, Cdms-II, DarkSide-50 e Borexino.

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