L’esperimento della materia oscura trova un segnale inspiegabile
I fisici che conducono la ricerca sperimentale più delicata del mondo sulla materia oscura hanno visto qualcosa di strano. Hanno scoperto un eccesso inaspettato di eventi all'interno del loro rivelatore che potrebbero adattarsi al profilo di un'ipotetica particella di materia oscura chiamata assione. In alternativa, i dati potrebbero essere spiegati da nuove proprietà dei neutrini.
Più banalmente, il segnale potrebbe provenire dalla contaminazione all'interno dell'esperimento.
"Nonostante siamo entusiasti di questo eccesso, dovremmo essere molto pazienti", ha detto Luca Grandi , un fisico dell'Università di Chicago e uno dei leader dell'esperimento di 163 persone, che si chiama XENON1T. Il successore dell'esperimento sarà necessario per escludere la possibile contaminazione da atomi di trizio, ha detto Grandi. L'esperimento dovrebbe iniziare entro la fine dell'anno.
Esperti esterni affermano che ogni volta che c'è una spiegazione noiosa, di solito è giusto. Ma non sempre – e la sola possibilità che XENON1T abbia fatto una scoperta merita attenzione.
"Se questa risulta essere una nuova particella, allora è una svolta che stiamo aspettando da 40 anni", ha dichiarato Adam Falkowski , un fisico di particelle presso l'Università Saclay di Parigi, in Francia, che non era coinvolto nell'esperimento. "Non è possibile sopravvalutare l'importanza della scoperta, se questo è reale."
I fisici delle particelle hanno cercato così a lungo un inventario più completo della natura, oltre l'insieme di particelle e forze noto come Modello standard della fisica delle particelle. E per 20 anni, esperimenti come XENON1T hanno cacciato specificamente per le particelle sconosciute che comprendono la materia oscura, la materia invisibile che getta il suo peso gravitazionale in tutto l'universo.
Se il segnale di XENON1T provenga da assioni – un ottimo candidato per la materia oscura – o neutrini non standard, "sarebbe chiaramente molto eccitante", ha detto Kathryn Zurek , un fisico teorico al California Institute of Technology. Per ora, però, "la banale spiegazione del trizio è più probabile nella mia mente".
Il risultato descritto nel documento è un cumulo di eventi chiamati "rinculo elettronico" all'interno del rivelatore XENON1T. Un serbatoio rivestito di sensori di 3,2 tonnellate di puro xeno, il rivelatore si trova a migliaia di piedi sotto il Gran Sasso, una montagna in Italia. Essendo un elemento "nobile" chimicamente inerte, lo xeno crea una vasca di osservazione silenziosa in cui cercare le increspature di particelle sconosciute, se dovessero passare attraverso.
La serie di esperimenti XENON è stata originariamente progettata per cercare particelle ipotetiche pesanti di materia oscura chiamate particelle voluminose o WIMP che interagiscono debolmente. Eventuali WIMP che attraversano il rivelatore dovrebbero occasionalmente scontrarsi con un nucleo di xeno, generando un lampo di luce.
Ma dopo 14 anni di ricerche con rivelatori sempre più grandi e sensibili, i ricercatori non hanno visto questi rinculi nucleari. Neanche gli esperimenti in competizione alla ricerca di rinculo nucleari in serbatoi di altri elementi e sostanze nobili. "È stata una saga, e siamo tutti molto disperati", ha detto Elena Aprile , un fisico di particelle alla Columbia University che ha ideato il metodo di rilevamento basato su xeno e da allora guida gli esperimenti XENON.
Mentre la ricerca del WIMP continuava a svuotarsi, diversi anni fa gli scienziati di XENON si resero conto che avrebbero potuto usare il loro esperimento per cercare altri tipi di particelle sconosciute che potrebbero passare attraverso il rivelatore: particelle che colpiscono un elettrone anziché un nucleo di xeno.
Hanno usato per trattare questi "rinculi elettronici" come rumore di fondo, e in effetti molti di questi eventi sono causati da fonti banali come piombo radioattivo e isotopi di krypton. Ma dopo aver apportato miglioramenti per ridurre drasticamente le loro contaminazioni di fondo nel corso degli anni, i ricercatori hanno scoperto che potevano cercare segnali nel rumore di basso livello.
Nella loro nuova analisi, i fisici hanno esaminato i rinculo elettronici nel primo anno di dati XENON1T. Si aspettavano di vedere circa 232 di questi rinculi, causati da fonti note di contaminazione di fondo. Ma l'esperimento ha visto 285 – un surplus di 53 che indica una fonte non contabilizzata.
Il team ha tenuto le scoperte nascoste per circa un anno. "Abbiamo lavorato e lavorato e cercando di capire", ha detto Aprile. "Voglio dire, questi poveri studenti!" Dopo aver respinto tutte le possibili fonti di errore a cui potevano pensare, i ricercatori hanno fornito tre spiegazioni che si sarebbero adattate alla dimensione e alla forma dell'urto nei loro grafici di dati.
Il primo e forse il più eccitante è l '"assione solare", un'ipotetica particella prodotta all'interno del sole che sarebbe simile a un fotone ma con una piccola quantità di massa.
Qualsiasi assione prodotta di recente al sole non potrebbe essere la materia oscura che ha modellato il cosmo sin dai tempi primordiali. Ma se l'esperimento ha rilevato assioni solari, significa che esistono assioni. "Un simile assione potrebbe anche essere prodotto nell'universo primordiale e quindi costituirebbe una componente della materia oscura", ha affermato Peter Graham , un fisico di particelle dell'Università di Stanford che ha teorizzato assioni e modi per rilevarli.
I ricercatori hanno affermato che l'energia degli assioni solari inferita dall'urto di XENON1T non si adatta ai modelli più semplici di materia oscura degli assioni, ma probabilmente modelli più complicati possono riconciliarli.
Un'altra possibilità è che i neutrini – la più misteriosa delle particelle conosciute della natura – possano avere grandi momenti magnetici, il che significa che sono come piccoli magneti a barra. Una simile proprietà consentirebbe loro di disperdersi con elettroni a una velocità maggiore, spiegando il surplus di rinculo elettronico. Graham ha affermato che i neutrini in possesso di un momento magnetico "sarebbero anche molto eccitanti poiché indicano una nuova fisica oltre il Modello standard".
Ma è anche possibile che tracce di trizio, un raro isotopo di idrogeno, siano presenti nel serbatoio dello xeno e che i loro decadimenti radioattivi generino rinculo elettronico. Questa possibilità "non può essere né confermata né esclusa", ha scritto il team XENON1T nel loro articolo.
Ricercatori esterni affermano che "non ci sono bandiere rosse, ma arancioni", come diceva Falkowski, che indicano la noiosa risposta. Soprattutto, se il sole crea assioni, lo fanno tutte le stelle. Questi assioni allontanano una piccola quantità di energia dalla stella, come il vapore che trasporta l'energia di un bollitore in ebollizione. In stelle molto calde come giganti rossi e nani bianchi, dove la produzione di assioni dovrebbe essere massima, questa perdita di energia sarebbe sufficiente per raffreddare le stelle. "Un nano bianco produrrebbe così tanti assioni che oggi non vedremmo nani bianchi caldi come facciamo noi", ha detto Zurek.
I neutrini con grandi momenti magnetici sono stati ugualmente sfavoriti: rispetto ai neutrini standard, molti di essi verrebbero prodotti spontaneamente all'interno delle stelle, eliminando più energia delle stelle e raffreddando le stelle calde più di quanto si osservi.
Ma quella logica potrebbe essere imperfetta, o qualche altra particella o effetto potrebbe spiegare l'urto di XENON1T. Fortunatamente la comunità fisica non dovrà aspettare a lungo per le risposte; Il successore di XENON1T, l'esperimento XENONnT – che monitorerà i rinculi in 8,3 tonnellate di xenon – è sulla buona strada per iniziare la raccolta dei dati entro la fine dell'anno. "Se l'eccesso è presente e allo stesso livello", ha affermato Grandi, "ci aspettiamo di essere in grado di discriminare tra pochi mesi di raccolta dei dati".
"Una cosa è chiara", ha detto Juan Collar , un fisico di materia oscura all'Università di Chicago che non è coinvolto nell'esperimento. “Il programma XENON continua a brillare nel campo della materia oscura. L'esperimento più sensibile sarà il primo a imbattersi nell'imprevisto, e XENON continua a mantenere una solida presa su quella preziosa pole position ".
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/dark-matter-experiment-finds-unexplained-signal-20200617/ in data Wed, 17 Jun 2020 14:00:26 +0000.