I risultati della prima ricerca diretta di materia oscura dell’esperimento NEON

Mentre i fisici non sono ancora stati in grado di determinare in cosa consista esattamente questa materia, vari esperimenti su larga scala in tutto il mondo hanno cercato di rilevare diverse particelle teoriche di materia oscura.

 

 

Rilevare la materia oscura, il tipo sfuggente di materia che si prevede rappresenti la maggior parte della massa dell’universo, si è finora rivelato molto impegnativo.

Mentre i fisici non sono ancora stati in grado di determinare in cosa consista esattamente questa materia, vari esperimenti su larga scala in tutto il mondo hanno cercato di rilevare diverse particelle teoriche di materia oscura.

Uno di questi candidati è la cosiddetta materia oscura leggera (LDM), particelle con masse basse inferiori a pochi giga-elettronvolt (GeV/c²).

Le teorie suggeriscono che queste particelle potrebbero interagire debolmente con la materia ordinaria, ma la debolezza di queste interazioni potrebbe renderle difficili da rilevare.

La collaborazione NEON (Neutrino Elastic Scattering Observation with Nal), un gruppo di ricercatori che analizza i dati raccolti dal rivelatore NEON presso il reattore nucleare di Hanbit in Corea del Sud, ha pubblicato i risultati della loro prima ricerca diretta di LDM.

Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters, pone nuovi vincoli sulle proprietà di questo candidato chiave per la materia oscura, che potrebbero informare gli sforzi futuri volti a rilevarlo.

“Il nostro articolo è emerso dall’approccio innovativo della NEON Collaboration alla ricerca di materia oscura chiara utilizzando una configurazione sperimentale unica vicino a un reattore nucleare”, ha detto a Phys.org Hyunsu Lee, coautore dell’articolo.

“Siamo stati ispirati dall’idea che i reattori nucleari, che emettono un’abbondanza di fotoni ad alta energia, potrebbero fornire un ambiente naturale per testare nuove teorie sulla materia oscura”.

Uno degli obiettivi principali dell’esperimento NEON è quello di cercare LDM esplorando le sue interazioni con gli elettroni.

La prima esecuzione dell’esperimento ha cercato specificamente particelle con una massa compresa tra 1 keV/c² e 1 MeV/c².

“Questa era una regione inesplorata per le ricerche dirette sulla materia oscura e il nostro obiettivo era quello di spingere i confini di ciò che si può ottenere con gli esperimenti basati sui reattori”, ha spiegato Lee.

Per la ricerca di LDM, la collaborazione NEON si basa su un rivelatore altamente sensibile situato in prossimità del reattore nucleare di Hanbit in Corea del Sud.

Questo rivelatore potrebbe raccogliere piccoli segnali che potrebbero essere associati alle interazioni tra particelle LDM ed elettroni.

Il reattore nucleare di Hanbit produce fotoni ad alta energia che potrebbero potenzialmente convertirsi in fotoni oscuri, particelle ipotetiche che dovrebbero interagire debolmente con la materia ordinaria.

Questi fotoni oscuri, che teoricamente si mescolano con i fotoni regolari (cioè le particelle di luce), potrebbero decadere in LDM.

In particolare, il rilevamento delle interazioni LDM richiede un rivelatore altamente sensibile in grado di catturare questi segnali sfuggenti.

“Il nostro rivelatore, schermato con materiali avanzati per ridurre il rumore di fondo, è progettato per catturare queste rare interazioni”, ha detto Lee.

“Nel nostro recente articolo, abbiamo analizzato 1,2 anni di dati raccolti dal rivelatore e stabilito nuovi limiti su quanto fortemente la materia oscura leggera può interagire con gli elettroni.

Per particelle di materia oscura con una massa di circa 100 keV/c², abbiamo migliorato i limiti precedenti di un fattore 1.000 e, per la prima volta, abbiamo fissato dei vincoli sulle masse al di sotto di questo intervallo”.

Rispetto alle precedenti ricerche LDM, l’esperimento NEON sonda intervalli di massa nuovi e inesplorati per queste particelle che erano precedentemente inaccessibili.

Sebbene i ricercatori non abbiano raccolto alcun segnale che potesse essere collegato alle interazioni tra le particelle LDM e gli elettroni, sono stati in grado di perfezionare i vincoli esistenti sulle proprietà di queste ipotetiche particelle, in particolare per masse inferiori a 100 keV/c²

“Utilizzando un reattore nucleare sia come fonte di fotoni ad alta energia che come ambiente controllato per gli esperimenti, abbiamo dimostrato il potenziale delle ricerche di materia oscura basate su reattori”, ha detto Lee.

“Le implicazioni del nostro lavoro sono significative, poiché il nostro approccio apre la porta a futuri esperimenti per sondare candidati di materia oscura ancora più leggeri e offre un metodo complementare alle ricerche di materia oscura basate su acceleratori e cosmologia”.

Il recente articolo della collaborazione NEON potrebbe presto informare altre ricerche di LDM in tutto il mondo, così come studi teorici incentrati su queste particelle.

I ricercatori stanno ora pianificando di estendere l’ambito della loro ricerca raccogliendo più dati e migliorando ulteriormente la sensibilità del loro rivelatore.

“In particolare, miriamo ad abbassare ulteriormente la soglia di energia della nostra analisi, permettendoci di esplorare particelle di materia oscura più chiare con forze di interazione ancora più deboli”, ha aggiunto Lee.

“Inoltre, stiamo esplorando modi per migliorare la schermatura e la riduzione del rumore per migliorare l’affidabilità dei nostri risultati. Il nostro obiettivo a lungo termine è quello di integrare i nostri risultati con altri sforzi sperimentali e teorici sulla materia oscura per costruire una comprensione completa di questa componente sfuggente dell’universo”.