Nelle migliaia di interazioni registrate di recente dall’esperimento statunitense Lux-Zeplin (LZ), una merita particolare attenzione. Si tratta di un singolo segnale isolato, un’interazione difficilmente spiegabile ricorrendo ai consueti modelli del rumore di fondo e che sembra invece strizzare l’occhio ai modelli teorici sulla materia oscura. Il team di Lux-Zeplin – circa 250 tra scienziati e ingegneri provenienti da 30 diversi istituti – è estremamente cauto e non parla ancora di scoperta, ma il primo settembre ha messo in rete un preprint dell’articolo (ancora non revisionato da fisici esterni al progetto) che presenta il risultato per aprire il dibattito all’intera comunità scientifica.
Il rivelatore centrale LZ presso il Sanford Underground Research Facility a Lead, nel South Dakota. Crediti: Matthew Kapust, Sanford Underground Research Laboratory
Sappiamo dell’esistenza della materia oscura grazie a diverse osservazioni astronomiche, dalle quali emerge che questa sostanza invisibile costituisce ben l’85 per cento di tutta la materia presente nell’universo. Eppure, sebbene sia così abbondante, non siamo mai riusciti a “vederla” direttamente. Alcuni fisici ipotizzano che sia composta da Wimp (Weakly Interacting Massive Particles), particelle massicce a interazione debole. Ed è proprio la loro natura sfuggente e la riluttanza a interagire con la materia ordinaria a renderne così difficile il rilevamento.
Fino a oggi, la caccia a queste particelle fantasma si è concentrata in grandi acceleratori o in speciali rivelatori, come appunto Lux-Zeplin, costruiti sottoterra per schermare i raggi cosmici. Per catturare qualcosa che per sua natura attraversa la materia senza lasciare traccia, i fisici hanno progettato un enorme cilindro in titanio (chiamato camera a proiezione temporale) riempito – nel caso di LZ – con sette tonnellate di xeno liquido a temperature bassissime. Lo xeno è infatti molto denso e per questo rappresenta un bersaglio ideale: la speranza dei ricercatori è che, prima o poi, una particella di materia oscura possa scontrarsi frontalmente con il nucleo di un atomo di xeno.
Al momento dell’urto di una particella con un nucleo di xeno, all’interno di LZ si innesca una reazione in due tempi che produce due risultati visibili. Dapprima l’impatto genera un debole e rapido lampo di luce (S1), che viene rilevato dai sensori sulle pareti del rivelatore. L’urto, oltre a produrre luce, strappa via all’atomo anche degli elettroni; questi, grazie a un campo elettrico, vengono trascinati in cima alla cisterna ed entrano in un sottile strato di xeno gassoso. Qui vengono accelerati bruscamente, generando un secondo lampo di luce (S2) molto più intenso del primo.
Quando una Wimp entra in collisione con un atomo di xeno, quest’ultimo emette un lampo di luce ed elettroni. La luce viene rilevata nella parte superiore e in quella inferiore della camera di xeno liquido. Un campo elettrico spinge gli elettroni verso la parte superiore della camera, dove generano un secondo lampo di luce. Crediti: Greg Stewart, Slac National Accelerator Laboratory
L’informazione più preziosa arriva proprio dal confronto tra i due segnali. La proporzione tra la luce del primo lampo e quella del secondo cambia infatti a seconda di chi ha colpito lo xeno: se una particella di materia oscura urta il nucleo pesante, lascia un rapporto S1/S2 molto diverso da quello generato da una particella di rumore di fondo, come ad esempio un raggio gamma.
Il punto di svolta di questo studio è arrivato quando i ricercatori hanno deciso di ampliare la loro finestra di osservazione. Invece di limitarsi a cercare i consueti urti a bassa energia, hanno esteso la ricerca fino a energie molto più alte, toccando i 270 keV. Questa scelta ha permesso di andare a caccia di segnali previsti da modelli teorici più complessi, come le cosiddette teorie di campo efficace (Eft) e i modelli di materia oscura anelastica. In parole povere, i fisici hanno ipotizzato che la materia oscura, in determinati scenari, possa produrre urti molto più violenti o addirittura cambiare il proprio stato durante la collisione, producendo un’impronta energetica più marcata.
Ed è proprio in questa estesa finestra di energia che è stato registrato l’evento anomalo: un urto a un’energia di 248 keV, localizzato in una regione del rivelatore in cui il rumore di fondo è stimato essere estremamente basso. Preso singolarmente per uno specifico modello teorico, l’evento tocca una notevole significatività “locale” di 3,4 sigma, corrispondente a una probabilità che si tratti di un risultato non significativo di appena lo 0,034 per cento. Tuttavia, siccome i ricercatori hanno cercato il segnale testando centinaia di modelli diversi, hanno dovuto applicare una rigorosa correzione statistica tramite simulazioni Monte Carlo, il cosiddetto look-elsewhere effect (l’effetto del “guardare altrove”). Tenendo conto di tutti i tentativi fatti, questa severa analisi ha portato la misura a una significatività “globale” più prudente di 2,6 sigma. Questo significa che la probabilità finale che il fenomeno sia puramente una fluttuazione statistica del fondo si attesta allo 0,47 per cento.
L’emozione all’interno della collaborazione LZ è palpabile, seppur fortemente frenata dal rigore scientifico. Rick Gaitskell, portavoce dell’esperimento, conferma che il team è molto incuriosito dall’aver osservato un evento simile in una regione così “silenziosa” del rivelatore, ma invita alla prudenza. «Con un solo evento in mano non vogliamo trarre conclusioni affrettate. Non stiamo dichiarando di aver scoperto la materia oscura», sottolinea, «ma abbiamo visto qualcosa di interessante che vogliamo condividere con la comunità scientifica».
Del resto, in rivelatori così complessi, i falsi allarmi sono all’ordine del giorno. Tuttavia, questo specifico segnale sembra avere un sapore diverso. «Gli eventi anomali nei dati non sono inaspettati, ma di solito, analizzandoli più a fondo, si rivelano essere una qualche forma di rumore di fondo», commenta Aaron Manalaysay, fisico del Berkeley Lab. «Questo è il primo caso, fra tutti gli esperimenti a cui ho lavorato, di un’anomalia che sembra invece superare ogni test. Ovviamente, ci stiamo ancora spremendo le meningi per capire se esista un raro meccanismo di disturbo che ci è sfuggito, ma è entusiasmante chiedersi se questo possa essere il primissimo indizio dell’osservazione della materia oscura».
Ma quanto manca davvero per raggiungere la fatidica soglia dei cinque sigma convenzionalmente ritenuta necessaria per poter confermare una scoperta in modo ufficiale? A tracciare la prospettiva a Media Inaf è Marco Selvi (ricercatore dell’Istituto nazionale di fisica nucleare, non coinvolto nello studio statunitense), responsabile nazionale dell’esperimento Xenon1T, il principale “concorrente” di LZ, installato ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell’Infn. «Il risultato di LZ è certamente molto interessante. Sebbene si tratti di un singolo evento», commenta il ricercatore, «esso si trova in una regione in cui il background atteso è estremamente piccolo. LZ ha infatti studiato in dettaglio diverse possibili sorgenti di background o effetti strumentali senza individuare, al momento, una spiegazione convincente dell’evento. Per alcuni dei modelli considerati la significatività statistica è interessante, anche se per ora ci attestiamo solamente a 2,6 sigma globali».
Per trasformare questo oscuro indizio in una prova scientifica ineluttabile servirà dunque ancora molta pazienza e, soprattutto, un’enorme mole di nuovi dati. «Con numeri così piccoli è difficile prevedere in modo robusto quanta esposizione sarà necessaria per raggiungere eventualmente i cinque sigma. Tuttavia», conclude Selvi, «una stima molto grezza porterebbe a prevedere che serva una statistica almeno quattro volte superiore a quella attuale».
Per saperne di più:
- Leggi su arXiv il preprint dell’articolo “Search for dark matter particle interactions in an extended nuclear recoil energy window with the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment”, della LZ Collaboration
- Leggi la press release sul sito dell’Università di Sheffield