Search for Magnetic and Spin-Independent Inelastic Dark Matter with XENONnT
Utilizzando 2,1 tonnellate-anno di dati dall'esperimento XENONnT, questo studio ricerca la materia oscura magnetica e a interazione spin-indipendente identificando firme uniche di rinculi nucleari seguiti da fotoni di de-eccitazione ritardati, trovando infine risultati coerenti con le aspettative del fondo e stabilendo limiti superiori al 90% C.L. nell'intervallo di massa da GeV/c² a TeV/c².
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L'universo è pieno di materia che non possiamo vedere. Gli astronomi sanno che questa sostanza invisibile, chiamata materia oscura, esiste perché la sua gravità tiene insieme le galassie e modella il cosmo, eppure costituisce circa l'ottanta cinque per cento di tutta la materia esistente. Per decenni, gli scienziati hanno cercato di vederla direttamente, sperando che una particella di materia oscura possa occasionalmente urtare un atomo in un rilevatore situato in profondità nel sottosuolo. Gli esperimenti di maggior successo finora hanno utilizzato serbatoi di xenon liquido, un metallo pesante che è liquido a temperature molto basse, per osservare questi rari urti. L'idea standard è che la materia oscura sia un tipo singolo di particella che rimbalza contro un nucleo atomico e poi scompare, lasciando dietro di sé un minuscolo lampo di luce e un piccolo segnale elettrico. Questa è l'immagine più semplice, ma non è l'unica. Alcune teorie suggeriscono che la materia oscura possa essere più complessa, esistendo in due stati diversi con pesi leggermente differenti, proprio come una persona che può essere sia in piedi che seduta. Se una particella di materia oscura si trova nello stato più pesante ed eccitato, potrebbe urtare un atomo, perdere parte della sua energia e poi tornare allo stato più leggero un momento dopo, rilasciando un'ondata di energia mentre lo fa.
Un team di ricercatori che utilizza l'esperimento XENONnT, un enorme rilevatore situato in profondità sotto la montagna del Gran Sasso in Italia, ha recentemente cercato prove di questo comportamento più complesso. Hanno analizzato i dati raccolti durante un periodo corrispondente a 2,1 tonnellate-anno di osservazione, una misura di quanta massa del rilevatore stia monitorando per quanto tempo. Il loro obiettivo era trovare una firma molto specifica: una particella di materia oscura che colpisce un atomo di xenon, causando il rinculo dell'atomo, e poi, un frazione di secondo dopo, la particella di materia oscura stessa che rilascia un fotone di luce mentre ritorna al suo stato fondamentale. Ciò creerebbe un modello unico di due eventi distinti che accadono nello stesso luogo, separati da una frazione infinitesimale di secondo. Il team ha anche cercato una versione più semplice di questo scenario in cui la particella di materia oscura colpisce l'atomo ma il secondo evento avviene all'esterno del rilevatore, lasciando solo l'urto iniziale. Si sono concentrati su due modelli teorici specifici, uno che coinvolge interazioni magnetiche e un altro che coinvolge una forza generale che non dipende dallo spin delle particelle.
Per trovare questi segnali, i ricercatori hanno dovuto essere incredibilmente precisi. Il rilevatore è un cilindro riempito con 5,9 tonnellate di xenon liquido, circondato da serbatoi d'acqua per bloccare altri tipi di radiazione. Quando una particella interagisce con lo xenon, produce due tipi di segnali: un lampo immediato di luce chiamato S1 e un segnale elettrico ritardato chiamato S2. Il team ha sviluppato nuovi modi per osservare questi segnali, cercando specificamente coppie di eventi che corrispondessero alla tempistica e alla direzione attese da una particella di materia oscura che attraversa il rilevatore e poi decade. Avrebbero dovuto filtrare il rumore di fondo, che include coincidenze casuali in cui due eventi non correlati avvengono accidentalmente nello stesso momento, e i decadimenti del krypton radioattivo che possono mimare il segnale. Utilizzando la velocità e la direzione delle particelle per distinguere i segnali reali dagli eventi di fondo, hanno creato un'area di ricerca molto pulita.
Dopo aver applicato tutte le loro rigide regole di selezione, i ricercatori hanno trovato zero eventi che corrispondessero alla firma del decadimento a doppio urto. Hanno invece trovato 805 eventi a colpo singolo, che però erano coerenti con quanto previsto dalle fonti di fondo note e non mostravano alcun eccesso insolito che potesse indicare la materia oscura. Poiché non hanno trovato evidenza del segnale previsto, non hanno scoperto un nuovo tipo di materia oscura. Invece, hanno utilizzato l'assenza di questi eventi per stabilire nuovi limiti più severi su quanto sia probabile che questi modelli specifici siano veri. Hanno calcolato che, se questo tipo di materia oscura esiste, la sua interazione con la materia ordinaria deve essere più debole di quanto i loro risultati consentano. Per il modello magnetico, hanno escluso valori per il momento di dipolo magnetico fino a tre ordini di grandezza superiori ai limiti precedenti, escludendo efficacemente un ampio intervallo di possibilità per particelle con masse comprese tra 50 GeV/c² e 1 TeV/c². Per il modello spin-indipendente, hanno similmente ristretto i vincoli su quanto fortemente queste particelle possano interagire con i nuclei atomici.
Lo studio conferma che l'universo non contiene questo tipo specifico di materia oscura inelastica ai livelli che i ricercatori sono stati in grado di testare. Sebbene la ricerca non abbia trovato le particelle, ha significativamente ristretto il campo delle possibilità per i fisici. Dimostrando che queste particelle non esistono con le proprietà che stavano cercando, il team ha guidato la ricerca futura verso altre possibilità. Il rilevatore XENONnT, con il suo fondo ultra-basso e le sue dimensioni massicce, continua a essere uno degli strumenti più sensibili disponibili per scrutare il settore oscuro, e questo ultimo risultato rappresenta un test definitivo di queste particolari teorie. Il lavoro dimostra che anche quando una ricerca non porta a risultati, la conoscenza acquisita su ciò che non c'è è un passo cruciale per comprendere di cosa sia fatto l'universo.
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