Gli scienziati sanno da decenni che nell’Universo esiste una quantità enorme di materia invisibile, ma nessuno è mai riuscito a identificarla direttamente. Ora, in un laboratorio sepolto sotto una montagna del South Dakota, un esperimento costruito proprio per cercarla ha registrato qualcosa di insolito.
Potrebbe essere soltanto un evento rarissimo ancora sconosciuto, oppure la traccia che i fisici inseguono da decenni: qualcosa ha urtato un atomo dentro il più sensibile rivelatore di materia oscura al mondo.
Da quasi un secolo gli astronomi osservano un paradosso. Galassie e ammassi si comportano come se contenessero molta più materia di quella che possiamo vedere. Quella massa invisibile è stata chiamata materia oscura e, secondo le stime attuali, rappresenterebbe circa l’85% di tutta la materia dell’Universo.
Sappiamo che deve esistere perché ne vediamo gli effetti gravitazionali. Non sappiamo però di che cosa sia fatta. Nessun telescopio può fotografarla e nessun esperimento è ancora riuscito a catturare con certezza una delle particelle che potrebbero comporla.
Per cercarle, gli scienziati hanno costruito LUX-ZEPLIN, un enorme rivelatore nascosto a circa 1.500 metri di profondità in una vecchia miniera d’oro del South Dakota. Nel suo cuore ci sono dieci tonnellate di xenon liquido e un obiettivo apparentemente semplice: aspettare che qualcosa di invisibile attraversi il laboratorio e, invece di passare indisturbato, urti uno degli atomi.
Quell’urto potrebbe essere avvenuto.
Il rivelatore ha registrato un singolo evento che i ricercatori non sono ancora riusciti a spiegare con le normali sorgenti di disturbo. Le caratteristiche sono compatibili con quelle previste per una WIMP, una particella ipotetica che da decenni è considerata uno dei possibili componenti della materia oscura.
Un segnale che resiste alle spiegazioni
Quando una particella attraversa lo xenon e colpisce un suo nucleo, produce segnali minuscoli che gli strumenti riescono a rilevare. Il problema è distinguere un possibile evento di materia oscura dalle moltissime interazioni provocate da particelle già conosciute.
Per questo LUX-ZEPLIN è stato costruito nel sottosuolo: un chilometro e mezzo di roccia lo protegge da gran parte dei raggi cosmici, mentre altri sistemi servono a riconoscere e scartare i segnali di fondo. Questa volta, dopo mesi di controlli, un evento continua a non trovare una spiegazione soddisfacente.
Perché nessuno può ancora dire «abbiamo trovato la materia oscura»
La cautela è obbligatoria. Il risultato raggiunge una significatività statistica di 2,6 sigma: significa che la probabilità che un fondo conosciuto possa produrre un evento simile è nell’ordine dello 0,5%. È poco, ma nella fisica delle particelle non abbastanza.
Per dichiarare una scoperta si richiedono normalmente 5 sigma, una soglia enormemente più severa. Con una sola collisione non è possibile stabilire se LZ abbia incontrato una particella di materia oscura oppure un fenomeno rarissimo che gli scienziati non hanno ancora identificato. La collaborazione continuerà quindi ad accumulare dati cercando altri eventi con le stesse caratteristiche.
Se l’interpretazione WIMP fosse corretta, la particella coinvolta avrebbe probabilmente una massa superiore a 200 volte quella di un protone e mostrerebbe un tipo di interazione con la materia ordinaria più complesso rispetto ai modelli più semplici esplorati finora.
Quell’85% dell’Universo che nessuno ha mai visto
Stelle, pianeti, gas, esseri umani e tutto ciò che può essere osservato direttamente rappresentano soltanto una piccola parte della materia presente nel cosmo. Circa l’85% della massa dell’Universo viene attribuito alla materia oscura, che non emette né riflette luce e quindi non può essere osservata con un telescopio.
La sua esistenza viene dedotta dagli effetti gravitazionali. Le galassie ruotano e gli ammassi si comportano come se contenessero molta più massa di quella visibile. Senza quella componente nascosta, anche la formazione delle grandi strutture cosmiche sarebbe avvenuta in modo molto diverso.
Sappiamo quindi che qualcosa c’è, ma non sappiamo ancora che cosa sia. Le WIMP sono da decenni tra i candidati principali. Potrebbero attraversare continuamente la Terra — e persino il nostro corpo — quasi senza lasciare traccia, perché la probabilità che interagiscano con un atomo è estremamente bassa. Per questo gli esperimenti vengono sepolti nel sottosuolo e trasformati in gigantesche trappole in attesa di collisioni che potrebbero verificarsi solo pochissime volte.
Fisici che lavorano sui sottosistemi LZ il Davis Laboratory quasi a un miglio sottoterra, a SURF.
Adesso serve un secondo urto
Il nuovo risultato non risolve il mistero, ma cambia ciò che gli scienziati dovranno cercare nei prossimi dati. LZ continua infatti a funzionare e ha già raccolto un campione più ampio di quello utilizzato nell’analisi appena presentata. Se comparissero altri eventi con la stessa firma, la significatività statistica potrebbe crescere rapidamente; se invece il segnale rimanesse isolato, diventerebbe più probabile una spiegazione diversa dalla materia oscura.
Dopo decenni di rivelatori che hanno ristretto sempre di più lo spazio in cui le WIMP potrebbero nascondersi senza trovarle, un solo atomo di xenon ha aperto una possibilità che i fisici non possono ancora chiamare scoperta e non riescono più a liquidare come semplice rumore.
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