La parte inferiore della camera di Xenon1t, vista dal basso. Le estremità posteriori dei tubi fotomoltiplicatori che registrano la luce degli eventi all’interno della camera sono visibili nella loro struttura di supporto in Ptfe, così come gli anelli di rame nelle pareti del cilindro che modellano il campo di deriva che guida gli elettroni del segnale di ionizzazione verso la parte superiore del Camera. Crediti: Collaborazione Xenon
Accade spesso nel mondo della scienza che uno strumento preposto ad una determinata indagine scientifica si dimostri un potente mezzo per l’individuazione di qualcosa di inaspettato. Queste scoperte fortunose e fortuite costituiscono il concetto di serendipità, coniato nel 1754 dallo scrittore Horace Walpole in Three princess of Serendip – antico nome dell’isola di Ceylon, l’odierno Sri Lanka.
Un gruppo di scienziati sperimentali della collaborazione internazionale Xenon, ha annunciato oggi che i dati dello strumento Xenon1T, la trappola per materia oscura più sensibile al mondo, mostrano un sorprendente eccesso di eventi.
Gli scienziati alla ricerca di “illuminare l’oscurità” – questo lo slogan scelto per il progetto Xenon1T – si mostrano cauti sull’affermare di aver trovato materia oscura. Riportano invece di aver osservato un numero considerevole di eventi inattesi, la cui fonte è oggetto d’indagine. Le tracce analizzate sono simili a quelle che potrebbero derivare da una piccola quantità residua di trizio (un isotopo dell’idrogeno costituito da un protone e due neutroni), ma potrebbe anche essere il segno distintivo di qualcosa di più eccitante – come l’esistenza di una particella nota come assione del Sole, o la manifestazione di proprietà dei neutrini finora sconosciute.
Xenon1T è un rivelatore collocato nella pancia del Gran Sasso, presso i Laboratori Nazionali dell’Infn in Italia. Nelle profondità della montagna, naturalmente schermato dai raggi cosmici, Xenon1T opera principalmente per rilevare la materia oscura – componente predominante della materia dell’universo – della quale finora sono state trovate solo tracce indirette tramite, ad esempio, la sua interazione gravitazionale con la materia barionica. Si stima che ogni secondo circa 100mila particelle di materia oscura attraversino una superficie grande quanto un’unghia, e il fatto che esse non siano ancora state direttamente osservate è indice dell’infinitesimale probabilità di interagire con i rivelatori.
Secondo i modelli teorici più accreditati, il vento di particelle prodotto dal movimento della Terra nell’alone di materia oscura che ospita la Via Lattea, può occasionalmente colpire i nuclei atomici, depositando una piccola quantità di energia misurabile solo con uno strumento altamente sensibile. In Xenon1T le rare interazioni con le particelle di materia oscura producono due segnali: un lampo di luce primario e un segnale di carica che genera un secondo lampo di luce ritardato. I segnali luminosi sono catturati da 248 fotomoltiplicatori in grado di rivelare ogni singolo fotone. L’analisi dei segnali consente di misurare l’energia, localizzare l’interazione ed eventualmente capire la natura della particella.
Le cosiddette Wimp (acronimo di weakly interacting massive particle) sono tra i candidati favoriti per la materia oscura, e grazie a Xenon1T gli scienziati hanno calcolato la stima più accurata del limite alla loro probabilità d’interazione, vagliando un vasto spettro di valori per la loro massa. Oltre alle Wimp, Xenon1T è anche sensibile a diversi tipi di nuove particelle e interazioni protagoniste di altre questioni aperte in fisica. L’anno scorso ad esempio, il team dell’esperimento ha pubblicato su Nature l’osservazione del più raro decadimento nucleare mai misurato direttamente.
Il rivelatore Xenon1t sospeso al centro del Water Cherenkov Shield. Il rilevatore è una camera a proiezione temporale riempita con xeno liquido. È incassato in un contenitore in acciaio inossidabile a doppia parete per l’isolamento termico. Il Water Cherenkov Detector (WCD) etichetta i muoni dei raggi cosmici usando la stessa tecnologia di rivelazione di Super-Kamiokande e fu usato per la prima volta per proteggere un rilevatore di materia oscura nell’esperimento Xmass a Kamioka. Crediti: Collaborazione Xenon
Oltre al vantaggio offerto dalla schermatura naturale del Gran Sasso, l’esperimento stesso è realizzato in modo idoneo a rivelare i rarissimi eventi d’interazione della materia oscura con quella ordinaria. I fisici di Xenon1T hanno scelto di utilizzare un gas nobile ultrapuro, lo xeno per l’appunto, raffreddato alla temperatura di -95° Celsius per mantenerlo allo stato liquido. Il rivelatore è immerso in un criostato di acciaio inossidabile a bassa radioattività, contenente circa 3500 kg di xeno liquido, che produce un segnale quando le particelle interagiscono al suo interno. Per garantire una schermatura dalla radioattività ambientale e dai muoni cosmici che possono produrre del rumore di fondo all’interno del rivelatore, il criostato è a sua volta immerso in 700 metri cubi d’acqua ultrapura, all’interno di un contenitore alto circa 10 metri e dotato di 84 fotomoltiplicatori per rivelare il passaggio dei muoni cosmici.
La maggior parte delle interazioni registrate da Xenon1T avviene per mezzo di particelle note, riconosciute e registrate dagli scienziati come eventi di fondo. Quando i dati raccolti sono stati depurati dal numero totale di eventi di fondo noti però, è stato osservato un sorprendente eccesso di 53 eventi rispetto ai 232 previsti.
Da dove proviene questo eccesso? Una prima spiegazione potrebbe essere quella di una sorgente di rumore inattesa e precedentemente non considerata, causata dalla presenza di piccole quantità di trizio nel rivelatore. Il trizio – isotopo radioattivo dell’idrogeno – decade spontaneamente emettendo un elettrone con un’energia simile a quella osservata. Sarebbero necessari solo pochi atomi di trizio ogni 1025 atomi di xeno per spiegare l’eccesso. Attualmente non esistono misure indipendenti che possano confermare o confutare la presenza di un livello così piccolo di trizio nel rivelatore, e la questione rimane aperta.
Una seconda ipotesi potrebbe essere l’esistenza di una nuova particella. Infatti, lo spettro energetico osservato è simile a quello atteso dagli assioni prodotti nel Sole. Gli assioni sono particelle la cui esistenza è stata ipotizzata per preservare la simmetria di inversione temporale della forza nucleare, e il Sole potrebbe esserne una fonte ingente. Mentre questi assioni solari non sono candidati alla materia oscura, il loro rilevamento segnerebbe la prima osservazione di una classe teoricamente ben motivata ma mai osservata di nuove particelle, con un grande impatto sulla nostra comprensione della fisica fondamentale e dei fenomeni astrofisici. Inoltre, gli assioni prodotti nell’universo primordiale potrebbero anche essere una possibile sorgente di materia oscura.
L’esperimento Xenon1T nei Laboratori nazionali del Gran Sasso. Crediti: Roberto Corrieri e Patrick De Perio
Infine, l’eccesso di eventi registrato potrebbe essere dovuto ai neutrini, migliaia di miliardi dei quali attraversano il nostro corpo senza ostacoli, ogni secondo. Una spiegazione potrebbe essere che il momento magnetico – una proprietà di tutte le particelle – dei neutrini è più grande del suo valore postulato dal Modello standard delle particelle elementari. Questo sarebbe un forte invito per l’ideazione di qualche nuova teoria fisica per spiegarlo.
Delle tre spiegazioni considerate dalla collaborazione Xenon, il segnale osservato sembrerebbe più coerente con la rivelazione di assioni solari. In termini statistici, l’ipotesi ha una significatività pari a 3.5 sigma, ci sarebbero cioè solo 2 possibilità su 10mila che l’eccesso osservato sia dovuto ad una fluttuazione casuale piuttosto che ad un segnale fisico. La statistica non è tuttavia conclusiva. Per quel che riguarda le due ipotesi di trizio e neutrino, la significatività è pari a 3.2 sigma, rendendoli anch’essi plausibili.
Xenon1T sta ora passando alla fase successiva – denominata XenonnT – con una massa di xeno attivo tre volte più grande e un rumore di fondo inferiore a quello di Xenon1T. Con i nuovi dati, gli scienziati sono fiduciosi di scoprire se questo eccesso è un mero caso statistico, un contaminante di fondo, o qualcosa di molto più eccitante: una nuova particella o interazione che va oltre la fisica conosciuta.
Guarda il servizio video realizzato da Media Inaf per l’inaugurazione di Xenon1T, nel 2015:
Per saperne di più:
- Leggi il pre-print dell’articolo “Observation of Excess Events in the XENON1T Dark Matter Experiment” di XENON Collaboration