Interpreting the LZ 248 keV Event using Dark QCD

Profondamente sotto la superficie della Terra, in un serbatoio di xenon liquido schermato dal caos del mondo esterno, gli scienziati sono in ascolto di un sussurro. Cercano la materia oscura, la sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo ma che rifiuta di interagire con la luce o la materia ordinaria in qualsiasi modo che possiamo facilmente vedere. Per decenni, i rivelatori hanno atteso che una particella di materia oscura urtasse un nucleo atomico, creando un minuscolo lampo di luce o un debole segnale elettrico. Recentemente, l'esperimento LUX-ZEPLIN, un enorme rivelatore situato in una miniera del South Dakota, ha segnalato un singolo, enigmatico evento. Si è trattato di un rinculo, un colpo a un atomo, con un'energia di circa 248 mila elettronvolt. Questa energia è insolitamente alta per il tipo di materia oscura che la maggior parte dei fisici si aspetta di trovare, che tipicamente si muove lentamente e fornisce solo un tocco delicato. L'evento non ha provato l'esistenza della materia oscura, poiché potrebbe essere stato un errore dovuto al rumore di fondo, ma la sua alta energia ha scatenato un nuovo filone di pensiero: forse la particella di materia oscura non è una semplice sfera solida, ma qualcosa di più complesso che richiede una spinta specifica ed energetica per rivelarsi.

In uno studio recente, i ricercatori Francesco Sannino e Jessica Turner propongono un modo per spiegare questo colpo ad alta energia utilizzando un modello di materia oscura che si comporta come un oggetto composito, simile a come un protone è fatto di quark più piccoli. Suggeriscono che la particella di materia oscura sia un "barione oscuro", una particella pesante formata da tre particelle ancora più piccole, i "quark oscuri", legati insieme da una forza unica nel settore oscuro. Nella loro teoria, questo barione oscuro non è uno stato singolo e immutabile. Invece, esiste in due versioni leggermente diverse, come una moneta che può essere testa o croce, con una minima differenza di energia tra loro. La versione più pesante è uno stato eccitato, e quella più leggera è lo stato fondamentale. Affinché la materia oscura interagisca con lo xenon nel rivelatore, deve subire una transizione dallo stato più leggero a quello più pesante. Questo processo è "endotermico", il che significa che richiede alla particella di materia oscura di assorbire energia per compiere il salto. Poiché la particola deve fornire questa energia extra per cambiare il proprio stato, non può interagire con il rivelatore a meno che non si muova molto velocemente. Ciò filtra naturalmente le particelle a movimento lento che creerebbero segnali a bassa energia, lasciando solo le rare particelle ad alta velocità capaci di fornire il forte colpo osservato nei dati di LUX-ZEPLIN.

Per far funzionare questa idea, i ricercatori hanno costruito un quadro teorico dettagliato che include un nuovo portatore di forza, una particella pesante che agisce come messaggero tra il mondo oscuro e il nostro, ma che ignora gli elettroni, una caratteristica che aiuta il modello a evitare il rilevamento in altri tipi di esperimenti. Il team ha calcolato cosa accadrebbe se un barione oscuro con una massa di un trilione di elettronvolt, ovvero un TeV, incontrasse un nucleo di xenon. Hanno scoperto che se il divario energetico tra i due stati oscuri è di circa 300 keV, l'interazione produrrebbe un'energia di rinculo molto vicina all'evento di 248 keV osservato dall'esperimento. I loro calcoli mostrano che la forza dell'interazione necessaria per produrre questo singolo evento rientra comodamente nell'intervallo di possibilità consentito dai dati di LUX-ZEPLIN. Nello specifico, la probabilità che la materia oscura colpisca un protone è stimata intorno a 6,5 volte 10 alla potenza meno 43 centimet quadri, un numero che si colloca ben all'interno dell'intervallo di confidenza riportato dall'esperimento.

I ricercatori non si sono fermati al coordinamento con l'energia dell'evento; hanno anche controllato se la loro idea potesse sopravvivere ad altri test. Hanno esaminato se questo modello creerebbe troppi neutrini ad alta energia provenienti dal Sole, un modo comune per escludere le teorie sulla materia oscura. Hanno scoperto che, poiché le particelle oscure nel loro modello decadono in altre particelle oscure prima di poter produrre la consueta cascata di neutrini, il modello rimane al sicuro dai limiti attuali dei neutrini solari. Hanno anche esaminato i dati provenienti dai collider di particelle, dove gli scienziati fanno scontrare protoni per cercare nuove particelle. La particella messaggera nella loro teoria apparirebbe come una risonanza "dijet", una coppia di getti di particelle che volano via da una collisione. I limiti attuali del Large Hadron Collider non escludono il loro proposto messaggero, che ha una massa di circa 1,44 TeV, sebbene le future sessioni del collider potrebbero testare questo aspetto in modo più rigoroso. Il team ha anche considerato il destino dello stato oscuro eccitato. Hanno dimostrato che, se una particella leggera e invisibile esiste nel loro modello, la materia oscura eccitata potrebbe decadere nello stato più leggero molto rapidamente, assicurando che la materia oscura che vediamo oggi sia quasi interamente nello stato fondamentale, pronta ad essere eccitata da una collisione veloce.

Questo lavoro offre una spiegazione concreta, seppur speculativa, per un singolo dato anomalo. Non sostiene di aver risolto il mistero della materia oscura, né afferma che l'evento di 248 keV sia stato sicuramente un'interazione di materia oscura. Invece, dimostra che un tipo specifico di materia oscura composita, con una massa pesante e una piccola divisione energetica tra due stati, è un candidato vitale che si adatta ai dati osservati senza contraddire altri vincoli noti. Il modello suggerisce che, se la materia oscura è davvero così complessa, si è nascosta in piena vista, in attesa di una collisione abbastanza veloce per rivelare la sua vera natura. I ricercatori sottolineano che ulteriori dati dall'esperimento LUX-ZEPLIN e le future sessioni del Large Hadron Collider saranno cruciali. Se appariranno più eventi ad alte energie, o se il collider troverà la pesante particella messaggera, questo quadro di una materia oscura composita ed endotermica potrebbe passare da una possibilità matematica a una realtà fisica. Fino ad allora, il singolo evento rimane un indizio silenzioso e intrigante che l'universo potrebbe contenere un settore nascosto molto più intricato di quanto abbiamo immaginato.