Argon as the test of two interpretations of the LZ 248 keV recoil

Nel profondo del silenzio dell'universo, una misteriosa sostanza nota come materia oscura si pensa fluttui attraverso ogni cosa, compreso il nostro pianeta. A differenza della materia ordinaria, che costituisce stelle, pianeti e persone, la materia oscura non emette luce né interagisce con l'elettricità, rendendola invisibile ai telescopi e alle telecamere. Gli scienziati credono che essa si riveli solo attraverso la gravità, esercitando una trazione sugli oggetti visibili. Per trovarla, i ricercatori costruiscono enormi rilevatori situati in profondità sottoterra, schermandoli dai raggi cosmici e da altri rumori, sperando di catturare una rara e minuscola collisione tra una particella di materia oscura e un nucleo atomico. Quando tale collisione avviene, dovrebbe lasciare un debole lampo di luce o una piccola quantità di calore, un segnale che ci dice qualcosa sulla natura di questa materia invisibile. Recentemente, un rilevatore chiamato LZ, riempito di xeno liquido, ha registrato un singolo evento enigmatico: un nucleo che rimbalza con un'energia di 248 kilo-elettronvolt. Questa energia è elevata, ma il vero mistero è che non sono stati visti altri eventi a energie inferiori, creando un vuoto nei dati che sfida le aspettative standard.

Questo insolito segnale ha scatenato due storie molto diverse su ciò che potrebbe accadere. Una storia suggerisce che la particella di materia oscura sia come una palla pesante che viene colpita dalle particelle più veloci della galassia, guadagnando energia e rimbalzando contro un nucleo. Questo è chiamato un processo endotermico, dove la particella ha bisogno di una spinta per muoversi. L'altra storia propone che la particella di materia oscura sia come una palla pesante che si muove già velocemente e scende a uno stato di energia inferiore, rilasciando un'ondata di energia che colpisce il nucleo. Questo è chiamato un processo esotermico. La differenza tra queste due idee non è solo una questione di teoria; porta a previsioni completamente opposte per ciò che dovrebbe accadere in un rilevatore riempito di un elemento diverso, l'argon. Se la prima storia fosse vera, l'argon non vedrebbe nulla. Se la seconda storia fosse vera, l'argon vedrebbe un segnale chiaro e brillante.

Una nuova analisi condotta dai fisici H. Baer e V. Barger utilizza le leggi del moto e le proprietà specifiche degli atomi per dimostrare che la risposta risiede nei dati dell'argon già raccolti dagli scienziati. I ricercatori spiegano che se la particella di materia oscura sta scendendo a uno stato di energia inferiore, rilascia una quantità fissa di energia. Quando ciò accade nello xeno, crea un rinculo a 248 keV. Tuttavia, poiché gli atomi di argon sono più leggeri di quelli di xeno, lo stesso rilascio di energia spingerebbe un nucleo di argon con più forza, creando un rinculo a un'energia superiore, specificamente intorno a 336 keV per una tipica massa di materia oscura. Fondamentalmente, questo processo non richiede che la materia oscura si muova a una velocità minima specifica; qualsiasi particella nella galassia potrebbe farlo. Ciò significa che, se questa interpretazione fosse corretta, un rilevatore di argon dovrebbe vedere una linea distinta di eventi a questa energia più elevata, apparendo circa dieci volte più frequentemente del singolo evento visto nello xeno.

Al contrario, se la particella di materia oscura deve assorbire energia per diffondersi, richiede una velocità minima per funzionare. L'analisi mostra che la velocità necessaria per creare il segnale da 248 keV nello xeno è così alta che si trova già al limite estremo di ciò che la galassia permette. Quando lo stesso calcolo viene applicato all'argon, la velocità richiesta diventa ancora più alta, superando la velocità massima che qualsiasi particella nella nostra galassia può possedere. Pertanto, se questa storia dell' "assorbimento di energia" fosse vera, un rilevatore di argon non vedrebbe assolutamente alcun evento. Le due possibilità sono mutuamente esclusive: o l'argon mostra un forte segnale, o non mostra nulla. Non esiste una via di mezzo.

La bellezza di questo test è che non dipende da teorie complesse su di cosa sia fatta la materia oscura o su come interagisca con altre forze. Si basa solo sulla fisica fondamentale di come due oggetti collidano e sulle velocità note delle particelle nel nostro vicinato solare. I ricercatori sottolineano che i dati necessari per risolvere questa questione sono già depositati su dischi informatici. L'esperimento DEAP-3600, situato in profondità sottoterra in una miniera in Canada, è operativo con argon liquido da diversi anni. Ha registrato un'esposizione sufficiente per aspettarsi tra i sei e i venticinque eventi se la storia dell' "rilascio di energia" fosse corretta. Se la storia dell' "assorbimento di energia" fosse corretta, i dati dovrebbero mostrare zero eventi in quell'intervallo di energia specifico.

Il rumore di fondo nel rilevatore di argon è ben compreso e gestibile. Sebbene esistano sorgenti naturali di radiazione che possono mimare questi segnali, i ricercatori stimano che il numero di falsi allarmi sia molto basso, probabilmente meno di un evento nell'intervallo di energia pertinente. Ciò significa che, se i dati dell'argon mostrassero un gruppo di eventi intorno a 336 keV, sarebbe un segno chiaro del processo di rilascio di energia. Inoltre, trovare questa linea farebbe molto più che confermare il tipo di evento; permetterebbe agli scienziati di calcolare la massa della particella di materia oscura con alta precisione confrontando l'energia esatta della linea nell'argon con l'energia vista nello xeno. Se i dati non mostrassero tale linea, la spiegazione del rilascio di energia per l'originale evento dello xeno verrebbe esclusa, costringendo gli scienziati a riconsiderare ciò che ha causato quel singolo, solitario lampo di luce.

La decisione dipende da una rianalisi dei record esistenti, non dalla costruzione di nuove macchine. Il team di DEAP-3600 ha già raccolto i dati necessari, e un nuovo esame di questi record potrebbe fornire una risposta definitiva entro l'attuale comprensione della fisica. Se la linea dell'argon apparirà, confermerà che la materia oscura possiede una struttura interna che le permette di rilasciare energia, una scoperta che rimodellerebbe la nostra comprensione della massa nascosta dell'universo. Se non apparirà, chiuderà la porta a quella specifica spiegazione per l'evento dello xeno, lasciando irrisolto il mistero di quel singolo rinculo. La risposta è già lì, in attesa di essere letta, trasformando un dibattito teorico in una questione di semplice osservazione.