Fermionic Dark Matter Absorption and the High-Energy Event in LUX-ZEPLIN

Per decenni, gli scienziati hanno dato la caccia alla materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo ma che si rifiuta di interagire con la luce. La teoria più popolare per anni è stata che questa materia consista in particelle pesanti e a lento movimento che occasionalmente urtano gli atomi normali, lasciando una minuscola, rilevabile scintilla. Esperimenti situati in profondità nel sottosuolo, schermati dai raggi cosmici, hanno ascoltato questi deboli sussurri. Tuttavia, man mano che questi rilevatori sono diventati incredibilmente sensibili, non hanno trovato nulla nell'intervallo a bassa energia dove le particelle pesanti ci si aspettava che colpissero. Questo silenzio ha costretto i ricercatori a guardare altrove, ampliando la ricerca verso energie più elevate e considerando possibilità più insolite, come la materia oscura che non si limita a rimbalzare contro gli atomi, ma viene assorbita da essi, scomparendo completamente mentre trasferisce tutta la sua massa in un lampo di energia.

Un'analisi recente dei dati dell'esperimento LUX-ZEPLIN, un enorme serbatoio di xenon liquido situato in una miniera del South Dakota, ha portato alla luce un nuovo e misterioso candidato. L'esperimento ha registrato un singolo evento in cui un atomo nel serbatoio è ricolato con un'energia di circa 248 kiloelettronvolt, un valore significativamente più alto del rumore di fondo solitamente osservato. Sebbene gli sperimentatori non abbiano dichiarato questa una scoperta, l'evento si è distinto come un'anomalia statistica che richiedeva una spiegazione. Due ricercatori della Nanjing Normal University in Cina hanno proposto un meccanismo specifico per spiegare questo singolo lampo: l'assorbimento di un tipo di particella di materia oscura da parte di un nucleo di xenon. Suggeriscono che se la materia oscura consistesse in fermioni con una massa di circa 247 milioni di elettronvolt, potrebbe essere assorbita dal nucleo, convertendo l'intera massa a riposo in un calcio preciso a energia singola all'atomo. Questo processo creerebbe un picco netto e distinto nei dati, corrispondendo perfettamente all'energia dell'evento osservato.

I ricercatori hanno costruito un modello dettagliato per testare questa idea, mostrando come un tale evento di assorbimento apparirebbe all'interno del rilevatore. Hanno calcolato che, per una particella di materia oscura con questa massa specifica, l'energia trasferita all'atomo di xenon cadrebbe proprio nella finestra in cui è stato trovato il singolo evento. Questo assorbimento coerente, in cui la materia oscura colpisce l'intero nucleo in una volta sola, produrrebbe un segnale monoenergetico pulito. Tuttavia, la stessa fisica che permette questo colpo pulito predice anche un effetto collaterale disordinato. Poiché la particella di materia oscura è abbastanza pesante da risolvere i singoli protoni e neutroni all'interno del nucleo, l'assorbimento dovrebbe anche espellere frequentemente singoli nucleoni. Questo processo incoerente genererebbe uno spettro ampio di eventi a energia molto più elevata, creando decine di segnali aggiuntivi che dovrebbero essere visibili nel rilevatore se il modello fosse corretto.

Il team ha scoperto che il loro modello proposto poteva effettivamente riprodurre il singolo evento osservato pur rimanendo coerente con la mancanza di altri segnali nell'intervallo a bassa energia. Gli eventi incoerenti ad alta energia predetti dalla loro teoria sono previsti essere filtrati dai tagli di sicurezza standard e dai sistemi di veto dell'esperimento, che sono progettati per rigettare il rumore ad alta energia. Ciò crea uno scenario in cui il rilevatore vede un singolo evento pulito ma perde le decine di eventi disordinati che dovrebbero accompagnarlo. I ricercatori hanno calcolato che la forza di interazione necessaria per produrre questo singolo evento corrisponde a una specifica scala di nuova fisica, circa 11,5 teraelectronvolt. Questo valore è sufficientemente alto da spiegare l'evento senza contraddire lo spettro vuoto a bassa energia, facendo apparire la teoria valida a prima vista.

Tuttavia, la storia prende una brusca svolta quando i ricercatori guardano oltre il serbatoio di xenon verso altri esperimenti. Si sono rivolti ai dati di KamLAND, un enorme rilevatore a scintillazione liquida in Giappone che è riempito di olio ed è progettato per osservare i neutrini. Questo rilevatore è sensibile a una reazione diversa: se le stesse particelle di materia oscura esistono, dovrebbero anche essere assorbite dagli atomi di carbonio nel rilevatore, espellendo un neutrone. Questo processo creerebbe un segnale distinto di un neutrone emesso, seguito da un lampo di luce ritardato mentre il neutrone viene catturato. Ri-analizzando i dati esistenti di KamLAND, i ricercatori hanno scoperto che il rilevatore avrebbe dovuto vedere un numero significativo di questi eventi di emissione di neutroni se il modello di materia oscura che spiega l'evento LUX-ZEPLIN fosse vero.

La ri-analisi ha rivelato una netta contraddizione. I dati di KamLAND non mostrano alcuna evidenza di questi eventi di neutroni, ponendo un limite rigoroso su quanto spesso tali interazioni possano verificarsi. Questo limite è molto al di sotto della forza di interazione necessaria per produrre il singolo evento visto nell'esperimento LUX-ZEPLIN. In altre parole, il modello che spiega perfettamente l'evento dello xenon è esplicitamente smentito dai dati del carbonio. I ricercatori concludono che, sebbene l'idea dell'assorbimento di materia oscura fermionica sia un modo convincente per spiegare un rinculo nucleare ad alta energia, i parametri specifici necessari per far corrispondere l'osservazione di LUX-ZEPLIN sono incompatibili con i vincoli di KamLAND. La tensione tra questi due grandi rilevatori suggerisce che il singolo evento nel serbatoio di xenon non sia probabilmente causato da questo specifico tipo di assorbimento di materia oscura, lasciando l'origine dell'anomalia irrisolta e indicando la necessità di future analisi dedicate ad alta energia per risolvere il mistero.