Nuovi risultati ottenuti dal rilevatore di materia oscura più sensibile al mondo ne circoscrivono le caratteristiche, avvicinandosi sempre di più alla spiegazione di uno dei più grandi misteri dell’Universo.
La natura della materia oscura
L’esperimento sulla materia oscura LUX-ZEPLIN (LZ), basato presso il Sanford Underground Research Facility nel Dakota del Sud, negli Stati Uniti, ha analizzato una vasta gamma di dati che forniscono informazioni senza precedenti su uno dei principali candidati per la materia oscura , noto come particelle massicce debolmente interagenti , chiamate anche WIMP.
I risultati, presentati alla conferenza TeV Particle Astrophysics 2024 a Chicago, Illinois, e alla conferenza LIDINE 2024 a San Paolo, Brasile, sono quasi cinque volte più sensibili rispetto alle ricerche precedenti e indicano che le WIMP interagiscono raramente con la materia ordinaria, confermando quanto sia difficile tracciare la materia oscura.
Il progetto LZ è guidato dal Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE). I fisici dell’Università di Bristol fanno parte dell’iniziativa internazionale, che coinvolge oltre 250 ricercatori provenienti da Stati Uniti, Regno Unito, Australia, Portogallo, Corea del Sud e Svizzera. È l’esperimento più grande e sensibile al mondo alla ricerca di particelle di materia oscura , in particolare WIMP.
Il collaboratore Henning Flaecher, professore di fisica e ricercatore principale del gruppo di Bristol, ha affermato: “I risultati presentano un miglioramento significativo rispetto alle precedenti ricerche sulla materia oscura WIMP. Abbiamo sondato un’ampia gamma di masse che la materia oscura potrebbe avere e la sua forza di interazione con la materia normale, ma finora rimane sfuggente. La ricerca della materia oscura è sicuramente una maratona e non uno sprint, e con LZ che deve ancora raccogliere circa tre volte più dati di quelli utilizzati per questi ultimi risultati, tutto è ancora in gioco”.
LZ non ha trovato alcuna prova di WIMP con massa superiore a 9 GeV/c 2 , dove 1 GeV/c 2 corrisponde approssimativamente alla massa di un atomo di idrogeno.
L’esperimento ora deve durare fino a 1.000 giorni per raggiungere la sua piena sensibilità. Questo risultato iniziale è solo una frazione di quell’esposizione, che convalida lo sforzo di progettazione e costruzione durato un decennio.
LZ, supportato nel Regno Unito dal Science and Technology Facilities Council dell’UKRI, è progettato in modo complesso e innovativo per trovare prove dirette della materia oscura, una misteriosa sostanza invisibile che si pensa costituisca la maggior parte della massa dell’universo. La materia oscura è particolarmente difficile da rilevare, poiché non emette né assorbe luce o altre forme di radiazione.
Il rivelatore LZ cerca di catturare le interazioni molto rare e molto deboli tra la materia oscura e il suo bersaglio di xeno liquido da 7 tonnellate. Per fare questo, LZ deve essere calibrato con attenzione e delicatezza e qualsiasi rumore di fondo rimosso in modo che l’esperimento possa essere perfettamente sintonizzato per osservare queste interazioni.
Queste particelle elementari teorizzate interagiscono con la gravità, il che conferma in primo luogo l’esistenza della materia oscura e, probabilmente, anche attraverso una nuova interazione debole.
Ciò significa che ci si aspetta che le WIMP collidano con la materia ordinaria, anche se molto raramente e molto debolmente. Ecco perché sono necessari rilevatori di particelle molto silenziosi e molto sensibili per la rilevazione delle WIMP.
Al centro dell’esperimento c’è un grande rilevatore di particelle di xeno liquido mantenuto a circa -110 °C, circondato da fotosensori. Se un WIMP interagisce con un atomo di xeno, dovrebbe essere emessa una piccola quantità di luce e i sensori la cattureranno. Ma per vedere queste rare interazioni, il team ha dovuto prima rimuovere con attenzione la maggior quantità possibile di radiazione di fondo dai materiali del rilevatore.
Questo non basta e spiega perché LZ opera a circa un miglio sottoterra. Questo lo protegge dai raggi cosmici , che bombardano gli esperimenti sulla superficie terrestre. Il rilevatore e il suo criostato sono posizionati all’interno di un enorme serbatoio d’acqua per proteggere l’esperimento da particelle e radiazioni provenienti dalle pareti del laboratorio.
I ricercatori dell’Università di Bristol svolgono un ruolo importante nell’esperimento, con Christopher Wright e Nathan Pannifer che lavorano a 1500 m sottoterra nel Dakota del Sud come parte del loro dottorato di ricerca, contribuendo alla gestione e alla manutenzione dell’Outer Detector (OD). Questo componente di LZ viene utilizzato per sopprimere i segnali derivanti da neutroni e raggi gamma, sfondi che possono imitare le interazioni della materia oscura. Sulla base dei dati raccolti con l’OD, Sam Eriksen, un Senior Research Associate, ha guidato lo sviluppo del veto dei neutroni e la misurazione della sua efficienza per l’analisi attuale.
Il Prof. Flaecher ha aggiunto: “Per le ricerche sulla materia oscura è di vitale importanza sopprimere qualsiasi fonte di radiazione di fondo, in particolare neutroni e raggi gamma. I rilevatori di veto LZ ci consentono di rifiutare tali processi e di ottenere la sensibilità alle interazioni estremamente rare della materia oscura.
“Infine, LZ si è assicurata che lo xeno liquido stesso fosse il più puro possibile rimuovendo con cura un contaminante chiave attraverso un complesso processo durato anni. Molti sistemi complessi hanno dovuto unirsi affinché LZ funzionasse e questi risultati dimostrano che stanno funzionando in perfetta armonia.”