Constraints on Solar Reflected Dark Matter from a combined analysis of XENON1T and XENONnT data
Questo articolo presenta un'analisi combinata dei dati XENON1T e XENONnT che esclude sezioni d'urto di scattering materia oscura-elettrone precedentemente non vincolate per masse di materia oscura sub-GeV tra 4,6 keV e 2 MeV, sfruttando l'upscattering solare e il rilevamento di rinculo elettronico a bassa energia.
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Da decenni, gli astronomi sanno che l'universo è pieno di qualcosa di invisibile. Questa sostanza, chiamata materia oscura, pesa più di tutte le stelle e le galassie che possiamo vedere, eppure si rifiuta di interagire con la luce, rendendo impossibile fotografarla direttamente. La teoria principale suggerisce che sia composta da particelle che vagano nello spazio, passando attraverso la materia ordinaria come fantasmi. Sebbene gli scienziati abbiano costruito enormi rilevatori situati nel profondo del sottosuolo per catturare queste particelle, hanno cercato principalmente quelle pesanti, simili per peso a un atomo. Tuttavia, un numero crescente di ricercatori sospetta che la materia oscura possa esistere anche in forme molto più leggere, così leggere da scivolare attraverso i normali rilevatori senza lasciare traccia. La domanda rimane: se queste minuscole particelle esistono, come possiamo mai sperare di trovarle?
Un team di scienziati che lavora con la collaborazione XENON ha adottato un approccio fresco a questo problema, considerando il Sole non solo come una stella, ma come un gigantesco specchio. La loro nuova analisi, basata sui dati di due massicci esperimenti in Italia, esplora la possibilità che il Sole possa aumentare la velocità di queste particelle di materia oscura leggera, conferendo loro energia sufficiente per essere rilevate. Analizzando i segnali registrati in serbatoi di xenon liquido, i ricercatori hanno stabilito nuovi e severi limiti su dove queste elusive particelle potrebbero nascondersi, escludendo una vasta gamma di possibilità precedentemente sconosciute.
La storia inizia con la sfida della rilevazione. Nella visione standard della nostra galassia, le particelle di materia oscura si muovono a velocità che sono rapide per noi, ma troppo lente per urtare gli atomi pesanti all'interno di un rilevatore, qualora tali particelle fossero molto leggere. È come cercare di sentire un sussurro in una stanza rumorosa; il segnale è semplicemente troppo debole. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno considerato uno scenario in cui le particelle di materia oscura viaggiano verso il Sole e collidono con gli elettroni all'interno del plasma solare. Queste collisioni agiscono come una fionda cosmica, trasferendo energia alla materia oscura e riflettendola verso la Terra con una significativa accelerazione. Questa materia oscura "riflessa dal sole" arriverebbe ai nostri rilevatori con molta più energia cinetica di quanta ne avesse quando ha lasciato l'alone galattico, potenzialmente abbastanza alta da creare un segnale visibile.
La collaborazione XENON gestisce due rilevatori all'avanguardia situati nel profondo del laboratorio nazionale Gran Sasso, in Italia, protetti dai raggi cosmici da migliaia di piedi di roccia. Il primo, XENON1T, e il suo successore, XENONnT, consistono in grandi cilindri riempiti di xenon liquido. Quando una particella colpisce un atomo di xenon, crea un lampo di luce e scaglia via gli elettroni. Questi elettroni fluttuano verso l'alto e creano un secondo lampo di luce ritardato, permettendo agli scienziati di individuare esattamente dove è avvenuta l'interazione. I ricercatori si sono concentrati su due tipi specifici di dati. Da XENON1T, hanno esaminato eventi in cui era visibile solo il secondo lampo di luce, una tecnica che abbassa la soglia energetica e permette di vedere particelle più leggere. Da XENONnT, hanno analizzato eventi a bassa energia in cui entrambi i lampi venivano rilevati, beneficiando della superiore capacità del nuovo rilevatore di filtrare il rumore di fondo.
Per trovare il segnale, il team ha dovuto distinguerlo dal costante ronzio della radiazione di fondo naturale. Questo fondo proviene da minuscole quantità di elementi radioattivi nei materiali del rilevatore e dai neutrini solari, particelle fantasma che fluiscono costantemente dal Sole. I ricercatori hanno utilizzato sofisticate simulazioni al computer per prevedere quale sarebbe stato l'aspetto del segnale della materia oscura riflessa dal sole attraverso diverse masse. Hanno poi confrontato queste previsioni con i dati reali raccolti in centinaia di giorni. L'obiettivo non era necessariamente trovare una nuova particella, ma vedere se i dati escludessero l'esistenza della materia oscura entro determinati intervalli di massa e intensità di interazione.
I risultati sono stati precisi e restrittivi. L'analisi ha mostrato che per particelle di materia oscura con masse comprese tra 4,6 e 20 keV/c², e nuovamente tra 0,2 e 2 MeV/c², i dati non supportano l'esistenza di particelle che interagiscono con gli elettroni ai livelli precedentemente non vincolati. In termini più semplici, se queste particelle leggere esistono e interagiscono con la materia ordinaria nel modo previsto dal modello, sarebbero state viste ormai. I ricercatori hanno calcolato che per una particella con una massa di 0,3 MeV/c², la probabilità che interagisca con un elettrone è inferiore a 3,41 × 10⁻³⁹ cm². Si tratta di un numero incredibilmente piccolo, che rappresenta un limite su quanto fortemente queste particelle possano toccare la materia che conosciamo.
Questo lavoro è significativo perché chiude la porta su una specifica regione, precedentemente inesplorata, del panorama della materia oscura. Utilizzando il Sole come un acceleratore naturale, il team ha esteso la portata dei loro rilevatori a masse molto inferiori rispetto a quanto fosse possibile in precedenza. Lo studio non ha trovato una nuova particella, ma ha avuto successo nell'eliminare una vasta fetta di possibilità teoriche, costringendo la ricerca della materia oscura a concentrarsi su altri intervalli di massa o diversi tipi di interazione. I ricercatori osservano che i futuri miglioramenti nei loro rilevatori e nei modelli informatici permetteranno di sondare ancora più a fondo, continuando la silenziosa e rigorosa caccia alla sostanza invisibile che tiene insieme l'universo.
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