Exothermic dark matter and the 248 keV nuclear recoil in LUX-ZEPLIN

Profondamente sotto la terra, in un serbatoio di xeno liquido mantenuto più freddo dello spazio esterno, gli scienziati stanno ascoltando il sussurro più tenue del mistero più abbondante dell'universo: la materia oscura. Questa sostanza invisibile costituisce la maggior parte della materia nel cosmo, eppure si rifiuta di interagire con la luce o con gli atomi ordinari in qualsiasi modo che possiamo facilmente rilevare. Per decenni, la teoria principale è stata che la materia oscura consista in particelle pesanti e a lento movimento che occasionalmente urtano i nuclei atomici, trasferendo una minuscola quantità di energia. Tuttavia, l'ultimo dato proveniente dall'esperimento LUX-ZEPLIN ha riportato un singolo, enigmatico evento che non si adatta a questo quadro standard. Invece di una leggera spinta, il rivelatore ha registrato un nucleo che recuoliva con un'energia di 248 keV, un valore troppo alto per una tipica collisione e che suggerisce un'interazione molto più complessa. Questa anomalia ha scatenato una nuova linea di indagine, sfidando i ricercatori a ripensare la natura fondamentale del settore oscuro e le regole che governano il modo in cui queste particelle invisibili potrebbero comportarsi quando finalmente incontrano il mondo visibile.

Un team di fisici ha proposto una nuova spiegazione per questo singolo evento, suggerendo che la particella di materia oscura coinvolta non sia un oggetto semplice e statico, ma piuttosto parte di una coppia con due distinti stati energetici. In questo scenario, la particella di materia oscura che costituisce l'alone che circonda la nostra galassia non si trova nel suo stato di energia più basso, ma si trova invece in una versione eccitata e più pesante di se stessa. Quando questa particella eccitata collide con un atomo di xeno nel rivelatore, non si limita a rimbalzare; scende verso il suo stato inferiore e più leggero. Facendo ciò, rilascia l'energia extra che trasportava, la quale viene poi trasferita al nucleo di xeno, causando il suo rinculo con la specifica e alta energia osservata. Questo processo è noto come downscattering (dispersione verso il basso), e ribalta il solito copione su come ci si aspetta che funzionino le interazioni della materia oscura.

La significatività di questa idea risiede nel modo in cui risolve un problema maggiore che ha tormentato i tentativi precedenti di spiegare l'evento. Le teorie precedenti suggerivano che la particella di materia oscura dovesse assorbire energia per saltare a uno stato più pesante, un processo chiamato upscattering (dispersione verso l'alto). Affinché ciò accada, la particella di materia oscura dovrebbe muoversi incredibilmente velocemente, vicino al limite di velocità consentito dalla gravità galattica. Ciò rendeva il numero previsto di eventi estremamente sensibile ai dettagli incerti su quanto velocemente la materia oscura si muove nel nostro vicinato; una minima variazione nella velocità presunta del limite della galassia causerebbe oscillazioni selvagge nel numero di eventi previsti, da zero a centinaia. Il nuovo modello di downscattering elimina interamente questa fragilità. Poiché la particella sta rilasciando energia invece di assorbirla, non è richiesta una velocità minima affinché avvenga la collisione. Il risultato è una previsione che rimane costante e affidabile, cambiando di meno dell'uno percento anche se la nostra comprensione dei limiti di velocità della galassia dovesse spostarsi significativamente.

Questa stabilità permette ai ricercatori di formulare una previsione chiara e testabile che distingua la loro idea dalle precedenti. Se l'evento fosse stato causato da una particella che scende a uno stato di energia inferiore, allora lo stesso processo dovrebbe avvenire in rivelatori riempiti di argon, un elemento più leggero dello xeno. Infatti, il modello prevede che un rivelatore ad argon debba registrare tra quattro e sei eventi simili per ogni anno di operatività. Al contrario, le vecchie teorie, che si basano sulla necessità che la particella si muova a velocità estreme per assorbire energia, prevedono che tali eventi non dovrebbero mai essere visti in argon, poiché la velocità richiesta supererebbe la velocità massima che qualsiasi particella di materia oscura potrebbe possedere nella nostra galassia. Ciò crea un modo definitivo per risolvere la questione: se i futuri esperimenti con l'argon vedranno questi eventi, il modello di downscattering sarà supportato; se non vedranno nulla, l'idea sarà esclusa.

I ricercatori hanno anche dovuto garantire che questo scenario sia fisicamente possibile nell'arco della vita dell'universo. Affinché le particelle di materia oscura eccitate esistano ancora oggi, devono essere abbastanza stabili da sopravvivere per miliardi di anni senza decadere in altre particelle. Lo studio dimostra che ciò è possibile solo se la differenza di energia tra i due stati è sufficientemente piccola da impedire certi decadimenti rapidi, il che a sua volta stabilisce un limite inferiore sulla massa della particella di materia oscura. Inoltre, l'interazione non può essere guidata dalle forze standard della natura, come la forza nucleare debole, perché produrrebbe troppi eventi. Invece, la collisione deve essere mediata da un nuovo portatore di forza nascosto che connette il settore oscuro al nostro, ma con una forza così debole da essere finora sfuggita alla rilevazione.

Lavorando attraverso la complessa matematica di come queste particelle evolvono nel tempo, il team è stato in grado di calcolare esattamente quante particelle di materia oscura si trovano in questo stato eccitato rispetto allo stato fondamentale. Hanno scoperto che la stragrande maggioranza della materia oscura nella galassia si trova in realtà nello stato inferiore e stabile, con solo una minuscola frazione che rimane nello stato eccitato. Questa piccola frazione è sufficiente a produrre il singolo evento visto dall'esperimento LUX-ZEPLIN, a condizione che l'intensità dell'interazione sia calibrata su un valore specifico e molto debole. Questo calcolo rivela anche che le particelle nello stato fondamentale, che costituiscono la massa principale della materia oscura, possono comunque interagire con il rivelatore, ma lo farebbero assorbendo energia. Fondamentalmente, per l'intervallo di energia specifico dell'evento osservato, questo upscattering dello stato fondamentale è cinematicamente proibito a meno che la separazione energetica tra gli stati non sia molto piccola; questo vincolo esclude efficacemente valori di separazione più piccoli e assicura che il modello rimanga coerente con l'osservazione. Questa coerenza interna aiuta a escludere altre interpretazioni e a restringere la ricerca sulla vera natura della materia oscura.

L'articolo conclude che questo singolo evento, piuttosto che un errore statistico o il segno di una fisica completamente nuova, potrebbe essere il primo sguardo su un tipo specifico di materia oscura che cambia il proprio stato interno all'atto della collisione. Il modello è auto-coerente, evita le estremi sensibilità delle teorie precedenti e offre un percorso chiaro verso la verifica. Il passo successivo non è costruire una versione più grande dell'attuale rivelatore, ma guardare i dati provenienti da esperimenti che utilizzano materiali diversi, in particolare l'argon, per vedere se gli eventi previsti appaiono. Se accadrà, confermerebbe che la materia oscura non è solo una massa silenziosa e invisibile, ma una sostanza dinamica capace di cambiare la propria natura quando incontra la materia ordinaria di cui siamo fatti.