I nuovi risultati del rivelatore di materia oscura più sensibile al mondo pongono i migliori limiti di sempre alle particelle chiamate WIMP, un candidato principale per ciò che costituisce la massa invisibile del nostro universo.
Capire la natura della materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa del nostro universo, è uno dei più grandi enigmi della fisica. I nuovi risultati del rivelatore di materia oscura più sensibile al mondo, LUX-ZEPLIN (LZ), hanno ristretto le possibilità per uno dei principali candidati alla materia oscura: le particelle massicce debolmente interagenti, o WIMP.
LZ, guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia, va a caccia di materia oscura da una caverna a quasi un chilometro sottoterra presso la Sanford Underground Research Facility nel South Dakota.
I nuovi risultati dell’esperimento esplorano interazioni di materia oscura più deboli di quanto mai cercato prima e limitano ulteriormente ciò che potrebbero essere le WIMP.
“Si tratta di nuovi vincoli leader a livello mondiale con un margine considerevole sulla materia oscura e sulle WIMP”, ha detto Chamkaur Ghag, portavoce di LZ e professore all’University College di Londra (UCL).
Ha notato che il rivelatore e le tecniche di analisi stanno funzionando anche meglio di quanto previsto dalla collaborazione.
“Se le WIMP fossero state all’interno della regione che abbiamo cercato, saremmo stati in grado di dire qualcosa su di loro. Sappiamo di avere la sensibilità e gli strumenti per vedere se sono lì mentre cerchiamo energie più basse e accumuliamo la maggior parte della vita di questo esperimento”.
La collaborazione non ha trovato prove di WIMP superiori a una massa di 9 gigaelettronvolt/c2 (GeV/c2). (Per confronto, la massa di un protone è leggermente inferiore a 1 GeV/c2.)
La sensibilità dell’esperimento alle deboli interazioni aiuta i ricercatori a respingere potenziali modelli di materia oscura WIMP che non si adattano ai dati, lasciando significativamente meno posti in cui le WIMP possono nascondersi.
I nuovi risultati sono stati presentati in due conferenze di fisica il 26 agosto: TeV Particle Astrophysics 2024 a Chicago, Illinois, e LIDINE 2024 a San Paolo, in Brasile. Un articolo scientifico sarà pubblicato nelle prossime settimane.
I risultati analizzano 280 giorni di dati: una nuova serie di 220 giorni (raccolti tra marzo 2023 e aprile 2024) combinati con i 60 giorni precedenti della prima esecuzione di LZ. L’esperimento prevede di raccogliere dati per 1.000 giorni prima della sua conclusione nel 2028.
“Se si pensa alla ricerca della materia oscura come alla ricerca di un tesoro sepolto, abbiamo scavato quasi cinque volte più in profondità di chiunque altro in passato”, ha detto Scott Kravitz, vice coordinatore della fisica di LZ e professore presso l’Università del Texas ad Austin. “È qualcosa che non si fa con un milione di pale, lo si fa inventando un nuovo strumento”.
La sensibilità di LZ deriva dalla miriade di modi in cui il rivelatore può ridurre gli sfondi, i falsi segnali che possono impersonare o nascondere un’interazione con la materia oscura.
Nelle profondità del sottosuolo, il rivelatore è schermato dai raggi cosmici provenienti dallo spazio.
Per ridurre le radiazioni naturali provenienti dagli oggetti di uso quotidiano, LZ è stato costruito con migliaia di parti ultrapulite e a basse radiazioni. Il rivelatore è costruito come una cipolla, con ogni strato che blocca la radiazione esterna o traccia le interazioni delle particelle per escludere l’imitazione della materia oscura.
E nuove sofisticate tecniche di analisi aiutano a escludere le interazioni di fondo, in particolare quelle del colpevole più comune: il radon.
Questo risultato è anche la prima volta che LZ applica il “salting”, una tecnica che aggiunge falsi segnali WIMP durante la raccolta dei dati.
Camuffando i dati reali fino a quando non vengono “dissalati” alla fine, i ricercatori possono evitare pregiudizi inconsci ed evitare di interpretare o modificare eccessivamente la loro analisi.
“Stiamo spingendo il confine in un regime in cui le persone non hanno mai cercato la materia oscura prima”, ha detto Scott Haselschwardt, coordinatore della fisica della LZ e recentemente Chamberlain Fellow al Berkeley Lab, che ora è assistente professore all’Università del Michigan.
“C’è una tendenza umana a voler vedere modelli nei dati, quindi è davvero importante quando si entra in questo nuovo regime che non ci siano pregiudizi. Se fai una scoperta, vuoi farla bene”.
Si stima che la materia oscura, così chiamata perché non emette, riflette o assorbe luce, costituisca l’85% della massa dell’universo, ma non è mai stata rilevata direttamente, anche se ha lasciato le sue impronte digitali su molteplici osservazioni astronomiche.
Non esisteremmo senza questo misterioso ma fondamentale pezzo di universo; La massa della materia oscura contribuisce all’attrazione gravitazionale che aiuta le galassie a formarsi e a rimanere insieme.
LZ utilizza 10 tonnellate di xeno liquido per fornire un materiale denso e trasparente in cui le particelle di materia oscura possono potenzialmente urtare.
La speranza è che una WIMP colpisca un nucleo di xeno, facendolo muovere, proprio come un colpo di una bilia battente in una partita di biliardo. Raccogliendo la luce e gli elettroni emessi durante le interazioni, LZ cattura potenziali segnali WIMP insieme ad altri dati.
“Abbiamo dimostrato quanto siamo forti come macchina di ricerca WIMP, e continueremo a funzionare e a migliorare ulteriormente, ma ci sono molte altre cose che possiamo fare con questo rivelatore”, ha detto Amy Cottle, capo dello sforzo di ricerca WIMP e assistente professore all’UCL.
“La fase successiva consiste nell’utilizzare questi dati per esaminare altri processi fisici interessanti e rari, come i rari decadimenti di atomi di xeno, il doppio decadimento beta senza neutrini, i neutrini di boro-8 dal sole e altri elementi fisici oltre il Modello Standard. E questo si aggiunge all’indagine su alcuni dei modelli di materia oscura più interessanti e precedentemente inaccessibili degli ultimi 20 anni”.
LZ è una collaborazione di circa 250 scienziati provenienti da 38 istituzioni negli Stati Uniti, Regno Unito, Portogallo, Svizzera, Corea del Sud e Australia;
Gran parte del lavoro di costruzione, funzionamento e analisi dell’esperimento da record è svolto da ricercatori all’inizio della carriera.
La collaborazione non vede l’ora di analizzare il prossimo set di dati e di utilizzare nuovi trucchi di analisi per cercare materia oscura di massa ancora più bassa.
Gli scienziati stanno anche pensando a potenziali aggiornamenti per migliorare ulteriormente LZ e stanno pianificando un rivelatore di materia oscura di prossima generazione chiamato XLZD.
“La nostra capacità di cercare la materia oscura sta migliorando a un ritmo più veloce della legge di Moore”, ha detto Kravitz. “Se si guarda a una curva esponenziale, tutto prima d’ora è nulla. Aspetta solo di vedere cosa verrà dopo”.
Foto: Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility
