Neutralino Dark Matter in SU(5) after H.E.S.S. and Direct-Detection Searches

L'universo è pieno di materia visibile — stelle, gas, pianeti e le persone che stanno leggendo questo — ma queste cose familiari costituiscono solo una piccola frazione del cosmo. Il resto è materia oscura, una sostanza invisibile che esercita la gravità e tiene insieme le galassie, pur rifiutandosi di interagire con la luce o con la materia ordinaria in qualsiasi modo che possiamo facilmente rilevare. Per decenni, i fisici hanno proposto che questa massa mancante potesse essere composta da particelle previste da una teoria chiamata supersimmetria. Questa teoria suggerisce che ogni particella nota abbia un partner più pesante e invisibile. Tra questi partner, un tipo specifico di particella chiamato neutralino è da tempo un principale candidato per la materia oscura. Se queste particelle esistono, dovrebbero occasionalmente collidere e annichilirsi a vicenda, producendo un debole segnale di luce ad alta energia, o raggi gamma, che i telescopi possono potenzialmente vedere. Dovrebbero anche occasionalmente rimbalzare contro i nuclei degli atomi in rivelatori situati nel profondo sottoterra, creando un minuscolo, misurabile rinculo.

Un team di ricercatori della Pennsylvania State University ha recentemente sottoposto questa idea a un test rigoroso utilizzando una versione specifica della teoria della supersimmetria nota come SU(5). Si sono concentrati su uno scenario in cui i partner invisibili delle particelle che trasportano le forze hanno masse differenti, una condizione che permette una vasta gamma di possibili candidati per la materia oscura. Il loro obiettivo era vedere se queste particelle teoriche potessero sopravvivere ai due guanti di sfida dell'astronomia moderna: la ricerca di linee di raggi gamma dal centro della nostra galassia e la ricerca di collisioni dirette in laboratori sotterranei. Eseguendo massicce simulazioni al computer della storia dell'universo e del comportamento di queste particelle, hanno mappato quali tipi di neutralini sono ancora possibili e quali sono stati esclusi dai dati più recenti di potenti osservatori.

I ricercatori hanno iniziato costruendo una vasta libreria di universi possibili, ciascuno definito da un diverso insieme di regole su quanto siano pesanti queste particelle invisibili e su come interagiscono. Hanno poi filtrato questa libreria attraverso una serie di requisiti rigorosi. In primo luogo, le particelle dovevano essere abbastanza pesanti da spiegare la gravità che vediamo nelle galassie, ma non così pesanti da essere state rilevate dai collisionatori di particelle. In secondo luogo, dovevano produrre la corretta quantità di materia oscura nell'universo primordiale per corrispondere a ciò che osserviamo oggi. Infine, e più criticamente, dovevano sopravvivere allo scrutinio di due grandi tipi di esperimenti. Un set di esperimenti, guidato dall'High Energy Stereoscopic System, o H.E.S.S., scansiona il cielo alla ricerca di raggi gamma. L'altro set coinvolge enormi serbatoi di xeno liquido sepolti nel profondo sottoterra, in attesa che una particella di materia oscura colpisca un atomo.

Lo studio ha rivelato che la natura della particella di materia oscura è la chiave della sua sopravvenza. Se la materia oscura è composta principalmente da un tipo di particella chiamato wino, ovvero un partner pesante della forza che governa il magnetismo, essa affronta un destino molto difficile. I ricercatori hanno scoperto che un wino quasi puro con una massa di circa un trilione di elettronvolt è essenzialmente impossibile da conciliare con le osservazioni attuali. I telescopi a raggi gamma che scrutano il centro della nostra galassia non hanno visto il segnale specifico e netto che una tale particella produrrebbe. Questo rimane vero indipendentemente dal fatto che la materia oscura nella nostra galassia sia concentrata in un picco acuto o distribuita in un nucleo più soffice. Il segnale è semplicemente troppo forte perché il wino possa nascondersi.

Allo stesso modo, se la materia oscura è composta principalmente da un Higgsino, un partner della particella che conferisce massa alle altre particelle, anche questo è escluso. Queste particelle sono così brave a interagire con la materia ordinaria che sarebbero state rilevate dagli esperimenti sotterranei allo xeno molto tempo fa. I dati di questi rilevatori mostrano che, se gli Higgsini esistono, sono troppo rari per costituire tutta la materia oscura dell'universo. Lo stesso vale per le miscele di Higgsini con altre particelle: l'interazione è troppo forte e gli esperimenti hanno già chiuso quella porta.

Tuttavia, la storia non è un totale fallimento per la teoria. I ricercatori hanno scoperto un tipo specifico di materia oscura che rimane un candidato vitale: una particella composta principalmente da un bino, ovvero un partner della forza associata all'ipercarica. A differenza del wino e dell'Higgsino, il bino interagisce molto debolmente con la materia ordinaria. Nelle simulazioni, un bino con una massa vicina a 62 GeV o vicino a 1 TeV può esistere senza attivare gli allarmi dei rilevatori sotterranei. Inoltre, poiché interagisce così debolmente, produce quasi nessun raggio gamma quando si annichilisce, il che significa che scivola via dai telescopi che cercano tali segnali. Questo rende il bino un "fantasma" nel senso più stretto del termine, invisibile sia alle ricerche celesti che a quelle basate a terra.

Lo studio ha anche evidenziato il delicato equilibrio richiesto affinché la teoria funzioni. Affinché i candidati wino e Higgsino sopravvivano, dovrebbero essere prodotti nell'universo primordiale in quantità molto minori rispetto alla materia oscura totale che vediamo oggi, richiedendo un altro processo ignoto per aumentare i loro numeri in seguito. Ciò aggiunge un livello di complessità che i ricercatori non hanno incluso nella loro analisi primaria. La soluzione più semplice, dove le particelle costituiscono naturalmente tutta la materia oscura, punta fortemente verso il bino. Eppure, anche per il bino, i ricercatori hanno notato che il verdetto finale dipende dai dettagli precisi della massa della particella e da come essa si mescola con altri partner invisibili.

Il lavoro serve come un potente esempio di come la scienza restringa le possibilità. Combinando la ricerca della luce dal cielo con la ricerca di collisioni dal suolo, i ricercatori sono stati in grado di eliminare intere classi di particelle teoriche. Hanno dimostato che, sebbene l'universo possa ancora nascondere un wino o un Higgsino, dovrebbe trovarsi in una configurazione molto specifica e non standard che richiede assunzioni aggiuntive per essere spiegata. Il candidato più probabile, basato sui dati attuali e sull'assunzione che queste particelle costituiscano tutta la materia oscura, è un bino che è quasi invisibile ai nostri attuali strumenti. Questo non significa che la ricerca sia finita, ma significa che la strada da seguire è più chiara. Gli esperimenti futuri dovranno cercare queste particelle specifiche ed elusive con una sensibilità ancora maggiore, o forse cercare i segni sottili delle versioni più complesse e miste della materia oscura che i ricercatori hanno identificato come la prossima frontiera della scoperta.