Caught by its own light: Wimpzillas, the LHAASO knee and the diffuse $\gamma$-ray sky

Molto in alto sopra la Terra, il cielo viene costantemente bombardato da particelle invisibili che viaggiano quasi alla velocità della luce. Questi sono i raggi cosmici, per lo più protoni e nuclei atomici, che hanno origine da eventi violenti nella nostra galassia, come l'esplosione di stelle. Per decenni, gli scienziati hanno mappato le loro energie, cercando schemi che rivelino da dove provengano e come vengano accelerati. Recentemente, un enorme osservatorio in Cina chiamato LHAASO ha fornito la mappa più dettagliata finora di queste particelle a energie estremamente elevate, rivelando un insolito "ginocchio" nei dati dove il numero di particelle subisce un improvviso calo. Questa caratteristica ha scatenato un intenso dibattito: è il segno di un nuovo tipo di acceleratore cosmico, o potrebbe essere l'eco debole di una misteriosa particella pesante esistente sin dalla nascita dell'universo?

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di testare un'idea specifica ed esotica: che questo ginocchio nello spettro dei raggi cosmici sia causato dal decadimento dei "wimpzilla". Queste sono ipotetiche particelle di materia oscura superpesanti, molto più massicce di qualsiasi particella nota, che potrebbero essere state create durante il Big Bang. Se una tale particella esistesse e si stesse lentamente decadendo oggi, si romperebbe in una pioggia di particelle più piccole, inclusi protoni e fotoni (luce). I ricercatori hanno utilizzato i dati precisi di LHAASO per vedere se i protoni che arrivano sulla Terra potessero essere spiegati da questo decadimento. Hanno scoperto che la matematica funzionava perfettamente per i protoni. Una particella di materia oscura con una massa di 50 milioni di miliardi di elettronvolt, in decadimento nell'alone della nostra galassia, poteva riprodurre esattamente la forma dello spettro dei protoni, compreso l'indurimento alle energie inferiori e il brusco calo al ginocchio. Infatti, la massa di questa particella era l'unica variabile necessaria per far sì che la teoria si adattasse così bene ai dati.

Tuttavia, la storia prende una brusca svolta quando i ricercatori guardano l'altro lato della stessa medaglia. Quando una particella pesante decade, non produce solo protoni; produce fotoni in un rapporto fisso e prevedibile. A causa della fisica del modo in cui queste particelle si frammentano, il decadimento dovrebbe produrre circa tre volte più energia sotto forma di luce rispetto alla forma dei protoni. Il team ha calcolato esattamente quanta luce gamma dovrebbe inondare il cielo se la spiegazione dei protoni fosse vera. Hanno poi confrontato questa previsione con l'effettivo cielo di raggi gamma misurato da LHAASO. Il risultato è stato un rifiuto definitivo dell'idea. La luce predetta dalla materia oscura in decadimento era troppo luminosa, superando il fondo di raggi gamma osservato di un fattore da dieci a cento, a seconda di come veniva calcolato il fondo.

La conclusione è chiara: sebbene il modello della materia oscura in decadimento si adatti magnificamente ai dati dei protoni, esso è smentito dai dati sulla luce. L'universo semplicemente non contiene abbastanza raggi gamma per sostenere l'esistenza di queste particelle in decadimento ai livelli richiesti per spiegare i protoni. I ricercatori sottolineano che questo non è un fallimento del modello nel far combaciare un insieme di numeri, ma una contraddizione fondamentale tra due diversi tipi di luce e materia provenienti dalla stessa fonte. I protoni e i fotoni sono legati insieme dalle leggi della fisica; non si possono avere i protoni senza i fotoni. Poiché i fotoni non sono presenti nelle quantità previste, anche i protoni non possono provenire da questa fonte.

Questo studio evidenzia il potere di osservare l'universo attraverso molteplici canali. Una teoria che appare perfetta esaminando un tipo di particella può crollare istantaneamente quando viene controllata la luce corrispondente. L'osservatorio LHAASO ha fornito una misurazione precisa dello spettro dei protoni, confermando una struttura complessa che i modelli astrofisici faticano a spiegare senza un eccessivo adattamento dei parametri. Eppure, gli stessi dati, se combinati con i limiti dei raggi gamma, chiudono la porta all'idea che il decadimento della materia oscura superpesante sia la causa. Il "ginocchio" nello spettro dei raggi cosmici rimane un mistero, puntando probabilmente a processi astrofisici complessi all'interno della nostra galassia piuttosto che a una nuova forma di fisica della materia oscura. La ricerca continua, ma questo particolare sentiero è stato bloccato proprio dalla luce che la teoria prometteva di produrre.