Dark Matter Inelastic Scattering with Nuclei for Direct Detection

Per decenni, i fisici hanno dato la caccia alla sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della materia nel nostro universo. La chiamano materia oscura e, sebbene non possano vederla direttamente, credono che sia ovunque, fluttuando nello spazio tra stelle e pianeti. La teoria principale suggerisce che questa materia oscura sia composta da particelle pesanti e lente che interagiscono raramente con la materia ordinaria. Per scorgirne un riflesso, gli scienziati hanno costruito enormi rilevatori nel profondo del sottosuolo, riempiti di tonnellate di xenon liquido. L'idea è semplice: se una particella di materia oscura urta un atomo di xenon, dovrebbe dare all'atomo una piccola spinta, creando un lampo di luce che sensori sensibili possono registrare. Per anni, i ricercatori si sono concentrati sul tipo più comune di urto, in cui la particella di materia oscura colpisce l'atomo e rimbalza, lasciando l'atomo nel suo stato normale e calmo. Questo è noto come scattering elastico.

Tuttavia, esiste un'altra possibilità che è stata ampiamente trascurata fino ad ora. Proprio come una palla da biliardo può colpire un'altra palla con tale forza da farla ruotare o vibrare, una particella di materia oscura potrebbe colpire un atomo di xenon con energia sufficiente da scuoterlo in uno stato eccitato superiore. Questo è chiamato scattering anelastico. In questo scenario, l'atomo non si limita a subire il rinculo; esso trattiene anche parte dell'energia, in attesa di rilasciarla più tardi mentre torna al proprio stato di quiete. Poiché l'energia necessaria per scuotere l'atomo è specifica, questo processo avviene solo se la particella di materia oscura si muove abbastanza velocemente e ha una massa sufficiente. Per molto tempo, gli scienziati hanno ipotizzato che questi atomi "scossi" fossero troppo rari per contare, o che sarebbero stati troppo difficili da calcolare. Ma un nuovo studio suggerisce che ignorare questo secondo tipo di collisione potrebbe essere un errore serio, capace potenzialmente di nascondere proprio il segnale che i ricercatori stanno cercando.

Un team di ricercatori della Shanghai Jiao Tong University e della Beihang University ha esaminato con una nuova prospettiva il modo in cui la materia oscura interagisce con gli atomi di xenon, concentrandosi specificamente su questi stati eccitati. Si sono resi conto che, per capire cosa accade all'interno dell'atomo durante una collisione, è necessario una mappa estremamente dettagliata della struttura interna dell'atomo. Gli studi precedenti utilizzavano un metodo chiamato modello a gusci nucleari, che tratta l'atomo come un edificio con un numero fisso di stanze dove vivono le particelle. Sebbene utile, questo metodo diventa molto difficile da applicare per atomi pesanti come lo xenon, poiché il numero di possibili configurazioni cresce troppo per essere gestito senza apportare semplificazioni. Il nuovo team ha utilizzato un approccio più moderno e potente chiamato teoria del funzionale della densità a interazione configurazionale relativistica. Questo metodo tratta ogni singola particella all'interno dell'atomo come un partecipante attivo, permettendo un quadro molto più completo e accurato di come l'atomo si comporta quando viene colpito.

I loro calcoli hanno rivelato che il canale anelastico non è una nota a piè di pagina minore; per certi tipi di interazioni della materia oscura, può essere importante quanto quello elastico e, per alcuni casi specifici, può essere mille volte più forte. I ricercatori hanno scoperto che quando la materia oscura colpisce i due tipi specifici di atomi di xenon che possiedono uno spin nucleare, l'atomo può essere eccitato a un livello di energia superiore. In alcuni scenari, il segnale proveniente da questi atomi eccitati è così forte da dominare completamente il segnale totale, oscurando le normali collisioni elastiche. Inoltre, hanno scoperto che non è solo il primo stato eccitato a contare. Se la particella di materia oscura è abbastanza pesante, può scuotere l'atomo verso livelli di energia ancora più elevati, e questi stati superiori possono contribuire significativamente al numero totale di eventi rilevati. Infatti, per alcune interazioni, il segnale del secondo stato eccitato è quasi forte quanto il segnale del primo.

Le implicazioni di queste scoperte sono profonde per gli esperimenti in corso come il rilevatore LUX-ZEPLIN (LZ), che ha recentemente riportato un singolo evento che somigliava a una collisione di materia oscura. L'energia di questo evento era piuttosto alta, circa 248 kiloelettronvolt. Le analisi precedenti assumevano che questo evento fosse una collisione elastica e cercavano di spiegarlo usando i vecchi metodi di calcolo. Tuttavia, quando il nuovo team ha applicato il loro modello più accurato a questo specifico evento, il quadro è cambiato drasticamente. I loro calcoli hanno mostrato che la probabilità di osservare un evento così ad alta energia da una collisione elastica standard è in realtà molto più bassa di quanto precedentemente pensato. Inveve, il nuovo modello suggerisce che il tasso di eventi a questa energia sia dominato dal canale anelastico, ma anche in quel caso, il numero previsto di eventi è molto inferiore rispetto a quanto suggerito dai modelli precedenti. Ciò significa che il singolo evento osservato dalla collaborazione LZ potrebbe non essere affatto un segno di materia oscura, o almeno non del tipo di materia oscura che veniva testato.

Lo studio evidenzia anche un problema più profondo relativo a come gli scienziati interpretano i dati provenienti da questi rilevatori. La forma del segnale — ovvero il modo in cui il numero di eventi cambia al variare dell'energia del rinculo — appare molto diversa a seconda del metodo di calcolo utilizzato. Il vecchio metodo prevedeva un picco nel numero di eventi proprio intorno all'energia in cui il rilevatore LZ ha visto il suo segnale. Il nuovo metodo, più dettagliato, prevede un avvallamento in quella stessa regione, con il segano che si trova in realtà al suo punto minimo. Questa differenza non è un piccolo errore; è un fattore di venticinque. Se i nuovi calcoli sono corretti, il segnale visto da LZ è molto più difficile da spiegare come una rilevazione di materia oscura, perché il fondo atteso derivante dalla materia oscura è molto più basso di quanto precedentemente assunto.

In definitiva, questo lavoro funge da promemoria cruciale del fatto che gli strumenti usati per interpretare i dati sperimentali sono altrettanto importanti dei dati stessi. Utilizzando un modo più sofisticato per modellare il nucleo atomico, i ricercatori hanno dimostrato che le regole che governano il modo in cui la materia oscura potrebbe interagire con la materia sono più complesse e variegate di quanto precedentemente creduto. Hanno dimostrato che ignorare la possibilità che gli atomi vengano scossi in stati eccitati potrebbe portare gli scienziati a perdere una parte fondamentale della storia o, viceversa, a interpretare una fluttuazione casuale come una scoperta. Man mano che i rilevatori diventano più sensibili e capaci di vedere questi dettagli sottili, la necessità di modelli teorici ugualmente precisi diventa critica. La caccia alla materia oscura non consiste solo nel costruire serbatoi più grandi di xenon liquido; consiste anche nel comprendere la danza intricata delle particelle all'interno di quegli atomi con una chiarezza che solo le teorie più avanzate possono fornire.