Credit:XENON Collaboration

Introduzione

Scienziati della collaborazione internazionale XENON, ha annunciato che i dati del loro XENON1T, l’esperimento sulla materia oscura più sensibile al mondo, mostrano un sorprendente eccesso di eventi. Questa collaborazione internazionale comprende: l’Istituto Kavli per la Fisica e la Matematica dell’Universo (Kavli IPMU), Università di Tokyo, l’Istituto per la Ricerca sui Raggi Cosmici (ICRR), Università di Tokyo, l’Istituto per la Ricerca Ambientale Spazio-Terra (ISEE), Università di Nagoya; l’Istituto Kobayashi-Maskawa per l’Origine delle Particelle e l’Universo (KMI), Università di Nagoya, la Graduate School of Science, Università di Kobe.

Gli scienziati non affermano di aver trovato la materia oscura. Dicono, invece, di aver osservato un tasso di eventi inatteso, la cui fonte non è ancora pienamente compresa. La firma dell’eccesso è simile a quella che potrebbe derivare da una minuscola quantità residua di trizio (un atomo di idrogeno con un protone e due neutroni), ma potrebbe anche essere un segno di qualcosa di più eccitante, come l’esistenza di una nuova particella nota come l’assioma solare o l’indicazione di proprietà precedentemente sconosciute dei neutrini.

Esperimento XENON1T

Lo XENON1T è statorealizzato in profondità nel sottosuolo presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN in Italia, dal 2016 al 2018. È stato progettato principalmente per rilevare la materia oscura, che costituisce l’85% della materia dell’universo. Finora gli scienziati hanno osservato solo prove indirette di materia oscura e non è ancora stata fatta una rilevazione definitiva e diretta. Le cosiddette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles (particelle massicce a debole interazione) sono tra i candidati teoricamente preferiti e XENON1T ha finora fissato il miglior limite alla loro probabilità di interazione su una vasta gamma di masse WIMP. Oltre alle WIMP, XENON1T era anche sensibile a diversi tipi di nuove particelle e interazioni che potevano spiegare altre questioni aperte in fisica. L’anno scorso, utilizzando lo stesso rilevatore, questi scienziati hanno pubblicato su Nature l’osservazione del più raro decadimento nucleare mai misurato direttamente.

Il rivelatore XENON1T è stato riempito con 3,2 tonnellate di xenon liquefatto ultra-puro, di cui 2,0 t sono servite come bersaglio per le interazioni delle particelle. Quando una particella attraversa il bersaglio, può generare minuscoli segnali di luce ed elettroni liberi da un atomo di xeno. Gli scienziati hanno quindi stimato attentamente il numero di eventi di fondo in XENON1T. Quando i dati di XENON1T sono stati confrontati con quelli conosciuti, è stato osservato un sorprendente eccesso di 53 eventi rispetto ai 232 eventi previsti.

Ciò solleva l’eccitante domanda: da dove proviene questo eccesso?

(Credit:XENON Collaboration)

Possibili spiegazione

Una spiegazione potrebbe essere una nuova fonte di sfondo precedentemente non considerata, causata dalla presenza di minuscole quantità di trizio nel rivelatore XENON1T. Il trizio, un isotopo radioattivo dell’idrogeno, si decompone spontaneamente emettendo un elettrone con un’energia simile a quella osservata. Sarebbero necessari solo pochi atomi di trizio ogni 1025 (10.000.000.000.000.000.000.000.000!) di atomi di xeno per spiegare l’eccesso. Attualmente, non esistono misurazioni indipendenti in grado di confermare o confutare la presenza di trizio a quel livello nel rivelatore, quindi una risposta definitiva a questa spiegazione non è ancora possibile.

Ancora più eccitante è un’altra spiegazione: potrebbe essere l’esistenza di una nuova particella. In effetti, l’eccesso osservato ha uno spettro di energia simile a quello che ci si aspetta dagli assioni prodotti dal Sole. Gli assioni sono particelle ipotetiche che sono state proposte per preservare una simmetria di inversione del tempo della forza nucleare e il Sole potrebbe esserne una forte fonte. Mentre questi assioni solari non sono considerati come possibili candidati ai fini della ricerca della materia oscura, la loro rilevazione segnerebbe la prima osservazione di una classe di nuove particelle mai osservata, con un grande impatto sulla nostra comprensione della fisica fondamentale, ma anche sui fenomeni astrofisici. Inoltre, gli assioni prodotti nell’universo primordiale potrebbero anche essere la fonte della materia oscura.

In alternativa, l’eccesso potrebbe anche essere dovuto ai neutrini, trilioni dei quali passano attraverso il corpo ogni secondo senza ostacoli. Una spiegazione potrebbe essere che il momento magnetico (una proprietà di tutte le particelle) dei neutrini è più grande del suo valore nel Modello Standard delle particelle elementari. Questo sarebbe un forte suggerimento per una nuova fisica necessaria per poterlo spiegare.

Quale tra queste ipotesi?

Delle tre spiegazioni considerate dalla collaborazione XENON, l’eccesso osservato è più coerente con l’ipotesi dell’assione solare. In termini statistici, l’ipotesi dell’assione solare ha un significato di 3,5 sigma, il che significa che c’è circa 2 su 10.000 possibilità che l’eccesso osservato sia dovuto ad una fluttuazione casuale piuttosto che ad un segnale. Anche se questa significatività è abbastanza alta, non è abbastanza grande per concludere che gli assioni esistano. La significatività di entrambe le ipotesi del momento magnetico del trizio e del neutrino corrisponde a 3,2 sigma, il che significa che sono anche coerenti con i dati.

Lo XENON1T sta ora passando alla sua prossima fase – lo XENONNT – con una massa di xenon attivo tre volte più grande e uno sfondo che ci si aspetta sia inferiore a quello dello XENON1T. Con dati migliori di XENONnT, la collaborazione XENON è fiduciosa di scoprire presto se questo eccesso è un mero caso statistico, un contaminante di fondo o qualcosa di molto più eccitante: una nuova particella o interazione che va oltre la fisica conosciuta.

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