A DM candidate indicated at Fermi-LAT and LZ ? Connection with LHC and LC prospects

Per decenni, i fisici hanno inseguito un fantasma che costituisce la maggior parte della materia dell'universo, ma che si rifiuta di rivelarsi. Questa sostanza invisibile, nota come materia oscura, non emette luce, né interagisce con gli atomi ordinari che costruiscono il nostro mondo, eppure la sua gravità tiene insieme le galassie. Per trovarla, gli scienziati cercano in due modi principali: aspettano che le particelle di materia oscura urtino i rilevatori situati nel profondo del sottosuolo, oppure cercano il debole bagliore di luce ad alta energia prodotto quando queste particelle collidono e si distruggono a vicenda nello spazio. La domanda che guida la ricerca più recente è semplice ma profonda: se finalmente trovassimo un candidato per questa massa mancante, di che tipo di particella si tratterebbe e come si comporterebbe?

Una nuova analisi mette insieme due scoperte apparentemente slegate per proporre una risposta audace. I ricercatori del telescopio spaziale Fermi-LAT hanno individuato un surplus inaspettato di fotoni energetici, o particelle di luce, centrati intorno ai 20 GeV nell'alone della nostra galassia. Allo stesso tempo, il rivelatore LUX-ZEPLIN, un enorme serbatoio di xenon liquido sepolto nel profondo del sottosuolo, ha registrato un singolo evento che sembra essere una particella di materia oscura che colpisce un atomo di xenon. Questo evento è significativo perché l'energia depositata è così grande da rendere quasi impossibile scambiarlo per rumore di fondo. Se combinati, questi due segnali puntano verso una particella di materia oscura con una massa di qualche centinaio di GeV. Tuttavia, un enigma rimane: se questa particella esiste, perché non vediamo lo stesso segnale nelle galassie nane, che sono ricche di materia oscura ma prive del segnale visto nella nostra galassia?

Gli autori di questo studio suggeriscono che la soluzione risieda nella velocità delle particelle e nella natura della forza che utilizzano per interagire. Nella nostra galassia, le particelle di materia oscura si muovono molto più velocemente rispetto a quanto facciano nelle galassie nane, silenziose e lente. I ricercatori propongono che queste particelle non collidano direttamente, ma interagiscano invece attraverso una particella pesante e a vita breve con uno spin pari a due, nota come gravitone di Kaluza-Klein. Questo specifico tipo di interazione dipende fortemente dalla velocità; poiché le particelle nelle galassie nane si muovono così lentamente, la probabilità che esse collidano e producano luce diminuisce drasticamente, spiegando perché quelle galassie lontane appaiano silenziose. Questo meccanismo si contrappone nettamente alle vecchie teorie che suggerivano che la materia oscura fosse un tipo di particella chiamata Higgsino, che interagirebbe diversamente e predirebbe una massa molto più pesante che non si adatta ai dati attuali.

Il supporto per questa idea proviene dal Large Hadron Collider, dove gli scienziati stanno cercando segni di dimensioni extra. I dati provenienti da queste collisioni accennano a una "torre" di questi pesanti gravitoni, con masse che appaiono a intervalli specifici, come intorno a 380 GeV, 700 GeV e 1 TeV. Una di queste risonanze potrebbe essere proprio la particella che permette alla materia oscura di annichilirsi nella nostra galassia. Se questa interpretazione è corretta, cambia le regole del gioco. Suggerisce che la materia oscura che stiamo cercando non sia l'pesante Higgsino spesso predetto dalle teorie standard, ma piuttosto una particella più leggera, forse intorno ai 190 GeV, che si accoppia a queste risonanze gravitoniche.

Le implicazioni per gli esperimenti futuri sono sostanziali. Se queste risonanze gravitoniche esistono e interagiscono con gli elettroni, un futuro collisionatore elettrone-positrone potrebbe fungere da fabbrica per produrle in abbondanza. I ricercatori calcolano che una tale macchina potrebbe generare migliaia di queste particelle, permettendo agli scienziati di studiarne le proprietà in dettaglio e confermare se siano effettivamente la chiave della materia oscura. Sebbene l'evidenza attuale sia ancora in fase di consolidamento, con i dati di Fermi-LAT che mostrano un leggero rigonfiamento nello spettro dei fotoni e l'LHC che vede accenni di queste risonanze, la convergenza dei segnali provenienti dallo spazio, dal sottosuolo e dai collisionatori di particelle offre un quadro coerente. Se confermato, ciò non solo identificherebbe la particella di materia oscura, ma fornirebbe anche la prima prova concreta di dimensioni extra e di un nuovo strato di realtà sottostante il nostro universo.