Per vivere felici, viviamo nascosti. Questo adagio vale anche per gli esperimenti di rilevamento della materia oscura. Questi rilevatori sono spesso installati in laboratori sotterranei, a diverse centinaia di metri o chilometri sotto la superficie. Lo spessore della roccia blocca la maggior parte della radiazione cosmica che interromperebbe le misurazioni. Ma esiste un flusso di particelle che nemmeno la migliore schermatura riesce a fermare: i neutrini. Per molto tempo gli esperimenti non hanno avuto la sensibilità sufficiente per vedere questa “nebbia di neutrini”. Ma due dei rilevatori più sensibili fino ad oggi, PandaX-4Tin Cina, e XENONnTin Italia, hanno appena annunciato di essere riusciti, per la prima volta, a penetrare questa nebbia.
La materia oscura rimane uno dei maggiori enigmi della cosmologia. La sua esistenza è stata ipotizzata per spiegare diverse osservazioni, come la velocità di rotazione anormalmente elevata delle galassie a spirale e la formazione di grandi strutture nell’Universo (galassie e ammassi di galassie). La sua natura rimane oscura. Tra decine di candidati, l’ipotesi dei “fifoni”. (particella massiccia che interagisce debolmente) è uno dei più studiati. Lei prevede che, da un punto di vista sperimentale, queste particelle dovrebbero avere il vantaggio di interagire, debolmente, con la materia, il che rende possibile immaginare esperimenti per testarne l’esistenza. La possibilità di individuare i wimp dipende da due parametri sconosciuti, la massa del wimp e la sezione trasversale, cioè la probabilità di interazione con un nucleo atomico.
In venticinque anni, la sensibilità degli esperimenti è stata migliorata di diversi ordini di grandezza. Ma, se nessuna traccia di materia oscura è stata rivelata, gli strumenti sono ora in grado di osservare un fenomeno raro: la diffusione elastica coerente tra neutrini e nuclei (CEvNS, per scattering elastico coerente di neutrini e nuclei). Il termine “coerente” qui significa che il neutrino interagisce con il nucleo nel suo insieme e non con uno dei protoni o neutroni che lo compongono. Questo processo è stato rilevato per la prima volta nel 2017 in un esperimento presso un acceleratore di particelle presso il laboratorio americano di Oak Ridge.
I neutrini interagiscono debolmente con la materia, ma il Sole ne produce un flusso colossale: sulla Terra siamo attraversati da circa 64 miliardi di neutrini al secondo e per centimetro quadrato. Per dare un’idea, tra tutti i neutrini che attraversano il tuo corpo, solo uno alla settimana interagisce con uno dei tuoi atomi. Per misurare un effetto così piccolo, esperimenti simili PandaX-4T et XENONnT sono dotati di serbatoi riempiti con diverse tonnellate di xeno liquido e circondati da una miriade di rilevatori ultrasensibili.
La squadra di XENONnT analizzato 300 giorni di dati (raccolti tra il 2021 e il 2023). «Grazie a un algoritmo di intelligenza artificiale, abbiamo individuato 37 eventi promettenti», spiega Luca Scotto Lavina, dell’LPNHE (Laboratorio di Fisica Nucleare e Alte Energie), di Parigi. “Poi abbiamo determinato che, di questi, 26 provengono dal rumore di fondo, mentre gli altri 11 sono probabilmente CEvNS. » Più precisamente, in base all’energia e al numero di questi eventi, i fisici suggeriscono che siano stati causati dai neutrini prodotti durante il decadimento beta del boro-8. Quest’ultimo si forma durante le reazioni di fusione nel cuore del Sole. I risultati di PandaX-4T confermare quelli di XENONnT. La squadra cinese ottiene più eventi, ma a costo di più rumore di fondo.
Da un punto di vista statistico, questi risultati non raggiungono ancora (appena) la soglia “tre sigma” (che corrisponde a meno dello 0,3% di rischio che questo risultato sia dovuto a una fluttuazione statistica del rumore del fondale). Tuttavia, poiché si tratta di un fenomeno previsto dalla teoria, i ricercatori hanno fiducia nella realtà della loro scoperta.
Questa svolta solleva una questione cruciale. Quando un neutrino interagisce con un nucleo atomico, provoca un lieve rinculo di quest’ultimo. Questo movimento viene rilevato dagli strumenti dell’esperimento. Tuttavia, questo è lo stesso tipo di rinculo che ci aspettiamo quando un debole colpisce un nucleo di xeno. Quindi, se la materia oscura è composta da wimps e le loro interazioni con la materia sono più rare di quelle dei neutrini, questi eventi non rischiano di essere annegati nella nebbia dei neutrini? Gli specialisti temono da tempo che questa situazione renderebbe impossibile la futura individuazione della materia oscura. Ma due fattori possono aiutare i ricercatori a raggiungere questo obiettivo. Innanzitutto, gli spettri energetici dei wimp e dei neutrini potrebbero essere diversi, ma non è sicuro che questa differenza sia sufficiente per essere sfruttabile. L’altra soluzione è forse più interessante. “Gli imbranati che stiamo seguendo appartengono ad un alone che abbraccia tutta la Via Lattea”, spiega Luca Scotto Lavina. Mentre il Sole si muove attraverso la Via Lattea, questo movimento induce una forma di “vento” di materia oscura con una direzione specifica. Questo flusso di wimp, nel rivelatore, viene poi modulato dal movimento della Terra attorno al Sole. È massimo a giugno, quando la Terra si muove nella stessa direzione del Sole (e minimo a dicembre, quando la Terra si muove nella direzione opposta). Per i neutrini il flusso è massimo quando la Terra è più vicina al Sole, cioè nel mese di gennaio. Queste due modulazioni sono compensate di sei mesi, una differenza che dovrebbe essere misurabile. »
Ma se i fisici vogliono continuare ad aumentare la sensibilità e immergersi nella nebbia dei neutrini, sarà fondamentale trovare un’altra soluzione: progettare rilevatori in grado di determinare la direzione iniziale delle particelle prima della collisione. L’idea sarebbe quindi quella di poter dire se la direzione della particella corrisponde a quella del vento dei wimps o al flusso solare dei neutrini. Le esperienze PandaX-4T et XENONnT non è possibile misurare queste informazioni. “Per il momento si stanno esplorando diverse tecniche che danno la direzione della particella, ma nessuna può raggiungere la sensibilità necessaria per rilevare i neutrini”, sottolinea Luca Scotto Lavina. Sarà necessario un lavoro di sviluppo significativo per la prossima generazione di rilevatori, se non vuole perdersi nella nebbia…
