L’esperimento LUX-ZEPLIN (LZ), uno dei principali rivelatori costruiti per cercare direttamente particelle di materia oscura, ha individuato un singolo evento che non trova al momento una spiegazione convincente nei fenomeni di fondo considerati dai ricercatori.
L’evento è compatibile con l’urto di una particella contro il nucleo di un atomo di xeno, al quale sarebbe stata trasferita un’energia di circa 248 keV. Secondo alcuni dei modelli analizzati, un’interazione di questo tipo potrebbe essere prodotta da una particella di materia oscura. Il risultato è stato presentato in un articolo pre-pubblicato su Arxiv, che deve ancora essere sottoposto a revisione paritaria.
L’evento risale in realtà al 16 giugno 2023 ed è emerso analizzando 220 giorni di osservazioni, corrispondenti a un’esposizione di 2.84 tonnellate-anno. LZ si trova a circa 1.5 km di profondità presso la Sanford Underground Research Facility, nel South Dakota. Al suo interno si trovano sette tonnellate di xeno liquido, utilizzato come bersaglio per cercare interazioni estremamente rare.
Quando una particella colpisce un atomo di xeno può interagire con i suoi elettroni oppure direttamente con il nucleo. In quest’ultimo caso, il nucleo riceve parte dell’energia della particella e si mette in movimento: è quello che in fisica viene chiamato rinculo nucleare. L’evento osservato da LZ ha caratteristiche compatibili proprio con questo secondo tipo di interazione.
La ricerca ha preso in considerazione rinculi nucleari con energie fino a 270 keV, più elevate rispetto a quelle normalmente analizzate nella ricerca delle WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), particelle massicce a interazione debole, una delle classi di particelle candidate a formare la materia oscura. In genere questi esperimenti cercano rinculi al di sotto dei 100 keV, ma alcuni modelli prevedono che l’interazione tra una WIMP e il nucleo di un atomo possa trasferire energie maggiori. Estendere l’analisi ha quindi permesso a LZ di cercare anche questo tipo di interazioni. E ne ha trovata una. Ma cos’è?
Perché l’evento potrebbe essere compatibile con la materia oscura?
L’evento registrato ha caratteristiche compatibili con un rinculo nucleare di 248 keV, cioè con un urto nel quale una particella ha trasferito una quantità relativamente elevata di energia al nucleo di un atomo di xeno. Ma il segnale si distingue soprattutto perché presenta una combinazione di energia e caratteristiche che, secondo i modelli di LZ, dovrebbe essere prodotta molto raramente dai normali fenomeni di fondo. In altre parole, proprio nel tipo di eventi a cui appartiene quello osservato, i ricercatori si aspettavano pochissimo “rumore” capace di imitare il segnale di una possibile particella di materia oscura.
I ricercatori hanno verificato diverse possibili altre spiegazioni per questa particella. Tra queste ci sono neutroni, neutrini, coincidenze accidentali tra segnali differenti, e anche particolari effetti legati al funzionamento del rivelatore. Si sono concentrati sui neutroni, in particolare, perché possono colpire direttamente i nuclei di xeno e quindi imitare il tipo di interazione cercato per la materia oscura.
Per produrre un rinculo di circa 250 keV, però, un neutrone dovrebbe avere almeno 8 MeV di energia. E secondo l’analisi sarebbe molto improbabile che un neutrone di questo tipo producesse un solo evento a questa energia, senza lasciare anche altri segnali a energie inferiori. Inoltre, LZ dispone di sistemi esterni che permettono di riconoscere gran parte degli eventi prodotti dai neutroni. Finora, nessuno dei processi di fondo analizzati dai ricercatori riesce a spiegare in modo convincente l’evento osservato.
Allo stesso tempo, alcuni modelli di materia oscura riescono a descrivere l’evento osservato. Il risultato è compatibile con diversi modelli più generali dell’interazione tra WIMP e nuclei, e con alcuni scenari di materia oscura anelastica, nei quali la particella cambierebbe stato durante l’interazione.
Per i modelli che descrivono meglio l’evento osservato, la particella responsabile potrebbe essere una WIMP particolarmente massiccia, con una massa superiore a circa 200 GeV/c². In fisica delle particelle la massa viene spesso espressa in elettronvolt: per confronto, un protone ha una massa di circa 0.94 GeV/c². Si tratterebbe quindi di una particella con una massa oltre 200 volte quella di un protone!
Questa compatibilità, però, non permette di stabilire che a colpire lo xeno sia stata effettivamente una particella di materia oscura. Potrebbe esistere un processo di fondo molto raro non ancora identificato, oppure un effetto del rivelatore che il modello attuale non descrive correttamente.
Una significatività statistica di 2.6 sigma
Per alcuni dei modelli analizzati, l’evento raggiunge una significatività statistica locale massima di 3.4 sigma. Questo significa che, considerando soltanto quello specifico modello, la probabilità di ottenere per caso dal fondo una discrepanza almeno altrettanto marcata è di circa 0.034%.
Questo valore deve però essere corretto, perché i ricercatori non hanno verificato una sola possibile interazione della materia oscura, ma hanno confrontato i dati con numerosi modelli e combinazioni di parametri. Più possibilità vengono esaminate, infatti, maggiore diventa la probabilità di trovare casualmente almeno un’anomalia significativa. Questo fenomeno è chiamato look-elsewhere effect, cioè letteralmente “effetto del guardare altrove”.
Per tenerne conto, i ricercatori hanno utilizzato simulazioni Monte Carlo e hanno calcolato una significatività globale di 2.6 sigma. In questo caso, la probabilità di ottenere una discrepanza almeno così marcata per una semplice fluttuazione del fondo sale a circa 0.47%. Il risultato rimane quindi insolito, ma non abbastanza da poter parlare di una scoperta: in fisica delle particelle la soglia utilizzata convenzionalmente per questo tipo di affermazioni è di 5 sigma.
La verifica principale arriverà dai nuovi dati. LZ ha continuato a raccoglierli nelle stesse condizioni di campo elettrico dall’aprile 2024. Se l’evento fosse effettivamente legato a un nuovo tipo di particella, aumentando l’esposizione dovrebbero comparire altre interazioni con caratteristiche compatibili. Al contrario, nuovi dati potrebbero ricondurre l’anomalia a una fluttuazione statistica, o permettere di identificare una sorgente di fondo, finora non riconosciuta.
Inoltre, utile sarà il confronto anche con altri esperimenti, come XENON nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso in Italia, o PandaX, nel laboratorio Jinping Underground in Cina.
