Un evento compatibile con la materia oscura, forse

Più di tre anni fa negli Stati Uniti uno strumento ha registrato un fenomeno molto raro e difficile da spiegare, che potrebbe essere un indizio interessante nello studio della materia oscura, la sostanza che compone l’85 per cento della materia totale nell’Universo e il 25 per cento di tutto quel che c’è (considerando anche l’energia), e di cui sappiamo ancora poco.

Da decenni centinaia di fisici cercano di capire di cosa sia fatta e nessun esperimento, finora, è mai riuscito a osservare un segnale che richiedesse necessariamente la presenza della materia oscura per essere spiegato. Ciò che rende così difficile rivelare la materia oscura è il fatto che non emette luce, non la assorbe e non la riflette; ma ha una massa e ne vediamo gli effetti in tutto l’Universo.

I ricercatori dell’esperimento LZ Dark Matter della Sanford Underground Research Facility, che si trova in South Dakota, hanno annunciato il risultato martedì a una conferenza in Giappone e lo hanno descritto in un preprint, cioè un articolo che non è ancora stato sottoposto alla revisione di scienziati non coinvolti nell’esperimento e che non è ancora stato pubblicato su una rivista scientifica.

Nello studio viene analizzata una singola, minuscola spinta che una particella ha dato a un atomo, facendone rinculare il nucleo (la parte centrale più pesante). L’energia che questo nucleo ha ricevuto dall’urto con la particella, però, è molto più grande di quella prevista nei modelli che considerano solo la materia che conosciamo in questo tipo di condizioni.

Se nei calcoli viene inclusa anche la materia oscura, invece, il dato potrebbe essere spiegato. Il risultato sarebbe infatti compatibile con un tipo di particella (per ora solo teorizzata) che i fisici chiamano WIMP, una sigla che sta per “particella massiva debolmente interagente”. La particella che ha spinto l’atomo, secondo questa interpretazione, sarebbe molto pesante, con una massa centinaia di volte più grande di un protone o di un neutrone (le particelle che compongono il nucleo di un atomo della materia ordinaria che conosciamo).

«Sarebbe assurdo vedere un dato del genere e non segnalarlo» ha detto Juan Collar, un fisico dell’Università di Chicago in Illinois che non ha partecipato allo studio. La maggior parte delle spiegazioni ordinarie è stata esclusa per ora; anche se rimangono ancora altre ipotesi, tra cui quella che ci sia qualche errore nel modello.

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Questo tipo di esperimenti, infatti, usa un sistema di modelli estremamente sofisticato. In un rivelatore (lo strumento capace di rivelare e tracciare le particelle), vengono registrati tantissimi segnali, lasciati dalle particelle che interagiscono tra loro o con gli atomi del rivelatore stesso. Per distinguere quali eventi sono interessanti e quali no, si usano simulazioni estremamente precise di tanti modelli teorici. E, finora, nessun evento aveva superato tutti i filtri di questi modelli.

L’evento di tre anni fa selezionato dall’esperimento LZ si trova in un intervallo di energie molto più alto di quello studiato di solito negli esperimenti sulla materia oscura. E proprio perché è un intervallo meno studiato, è un po’ più difficile dire con precisione quali eventi aspettarsi e quali no, e da quali processi provengano. L’evento osservato il 16 giugno 2023, quindi, potrebbe essere anche qualcosa che non era previsto dai modelli usati nell’analisi, ma che potrebbe comunque avere un’origine ordinaria.

I ricercatori hanno calcolato quanto sarebbe stato probabile osservare qualcosa di altrettanto insolito se la materia oscura non fosse coinvolta. In fisica si utilizza la soglia di 5 sigma (l’unità di misura dell’incertezza statistica) per dichiarare una scoperta, perché si vogliono evitare annunci basati su semplici fluttuazioni statistiche. Per l’evento del 16 giugno hanno stimato 2,6 sigma: in sostanza, questo evento è abbastanza insolito da meritare di essere studiato, ma non da permettere di concludere che sia stato osservato qualcosa di nuovo.

Siamo ancora quindi molto lontani dal poter affermare che la materia oscura è stata trovata davvero e saranno necessarie conferme da altri esperimenti, come XENON nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso e PandaX nel laboratorio Jinping Underground, in Cina. Identificare quali particelle compongono la materia oscura permetterebbe di capire meglio come si è formato ed evoluto l’Universo.