L’esperimento Xenon100 nei laboratori del Gran Sasso. Crediti: INFN/LNGS
Materia oscura, il cerchio si stringe, titolavamo nel 2011 presentando nuovi risultati dell’esperimento Xenon100. Ebbene, a distanza di quattro anni la storia si ripete. Il protagonista è sempre lui, la Ferrari dei cacciatori di dark matter: 161 chili di xenon purissimo allo stato liquido, mantenuti a 90 gradi sotto zero all’interno d’un contenitore d’acciaio inox e protetti da uno scudo di roccia spesso 1400 metri nelle viscere del Gran Sasso. Ancora non ha visto alcuna traccia di materia oscura, ma con le sue ultime misure – riportate oggi su Science e su Physical Review Letters – il cerchio s’è stretto al punto da escludere dal perimetro dei modelli ammissibili anche un “vicino di casa”: l’ipotesi della cosiddetta “interazione leptofilica”, avanzata per spiegare i risultati dell’esperimento DAMA/LIBRA, che abita, appunto, a poche decine di metri di distanza dal domicilio di Xenon100 – ospiti entrambi dei Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.
Ma andiamo con ordine. I teorici della dark matter ipotizzano l’esistenza d’un alone galattico – un alone di materia oscura – che, venendo solcato dalla Terra nel corso della sua rivoluzione annuale attorno al Sole, potrebbe dare origine, nei rivelatori di materia oscura, a una variazione stagionale. Segnale che i cristalli di ioduro di sodio dell’esperimento DAMA/LIBRA, in effetti, sembrano intercettare. Lo vedono andare su e giù a seconda, appunto, delle stagioni: una modulazione con massimi e minimi a inizio giugno e inizio dicembre. E lo vedono comportarsi così da 15 anni.
Se confermato, sarebbe uno straordinario indizio diretto di materia oscura. Ma c’è un problema: altri esperimenti, almeno sulla carta anche più sensibili, non lo vedono. Com’è possibile? Un’ipotesi intrigante avanzata dal team di DAMA/LIBRA è che la materia oscura sia leptofilica: ovvero, che le garbi di più interagire con gli elettroni (membri della famiglia dei leptoni) che non con i nuclei atomici. E che magari, essendo tecnologie e rivelatori in gioco assai differenti, quelli di DAMA/LIBRA reagiscano più di altri a interazioni con gli elettroni. Ed è proprio questa eventualità che Xenon100 è andato a mettere alla prova.
«Il nostro esperimento è disegnato ipotizzando che l’interazione con la materia oscura avvenga preferenzialmente con i nuclei», spiega a Media INAF Gabriella Sartorelli, dell’Università e Sezione INFN di Bologna e rappresentante del gruppo italiano di Xenon100, «ma poiché è capace anche di vedere l’interazione con gli elettroni, dopo esserci assicurati d’aver eliminato tutto il rumore di fondo possibile ci siamo detti: bene, adesso possiamo guardare anche queste interazioni, che si confondono più facilmente con il fondo. E siamo andati a vedere se la dark matter interagisce con gli elettroni».
Risultato? Nessun segnale significativo che suggerisca la presenza d’una modulazione stagionale. E anche quella debolissima traccia che forse s’intravede non mostrerebbe comunque picchi attorno a inizio giugno o inizio dicembre, precisa Sartorelli: «ha un’altra variabilità». La conclusione, insomma, è netta: «Questo esclude alcuni dei modelli leptofilici, quelli d’interazione della materia oscura con gli elettroni». Insomma, per rendere conto di ciò che fa eccitare i suoi rivelatori, il team di DAMA/LIBRA dovrà probabilmente escogitare una nuova spiegazione: è così che la scienza va avanti.
«Dall’analisi dei dati di Xenon100, sappiamo ancora di più su ciò che la materia oscura non è, che è un’informazione molto importante nel campo della fisica delle particelle», dice Elena Aprile, della Columbia University, fondatrice e responsabile della collaborazione internazionale che ha dato vita all’esperimento. «Abbiamo escluso i modelli nei quali le interazioni tra la materia oscura e quella ordinaria erano più forti, e con il rilevatore Xenon1T [il successore di Xenon100, ndr] potremo testare i modelli nei quali si prevedono interazioni più deboli. Siamo in grado di catturare anche il più flebile indizio di materia oscura. Se questo è il posto giusto per cercare la firma della materia oscura, dovremmo poterla vedere».
Per saperne di più:
- Ascolta l’intera intervista a Gabriella Sartorelli
- Leggi su Science l’articolo “Exclusion of leptophilic dark matter models using XENON100 electronic recoil data”
- Leggi su arXiv l’articolo “Search for Event Rate Modulation in XENON100 Electronic Recoil Data”, in pubblicazione su Physical Review Letters