Solar capture and annihilation of fermionic and scalar dark matter motivated by the LUX-ZEPLIN high-recoil candidate

La ricerca della materia oscura è una delle indagini più profonde della fisica moderna, spinta dall'evidenza schiacciante che l'universo contenga molta più massa di quanta ne possiamo vedere. Gli astronomi osservano da tempo che le stelle nelle galassie si muovono troppo velocemente per essere trattenute solo dalla gravità della materia visibile, e che la luce proveniente da oggetti distanti si piega in modi che richiedono una massa invisibile per essere spiegati. Questa sostanza invisibile, nota come materia oscura, si pensa costituisca circa l'ottantacinque per cento di tutta la materia nel cosmo, eppure non emette, assorbe o riflette la luce, rendendola impossibile da rilevare con i telescopi tradizionali. Invece, gli scienziati si affidano a metodi indiretti, cercando i sottili colpi gravitazionali che la materia oscura esercita sugli oggetti visibili o cercando rare collisioni tra particelle di materia oscura e gli atomi nei rivelatori situati nel profondo del sottosuolo.

Una delle strategie più promettenti prevede la ricerca di queste collisioni in enormi serbatoi di xenon liquido, dove una particella di materia oscura che colpisce un nucleo di xenon creerebbe un minuscolo lampo di luce e un piccolo segnale elettrico. Recentemente, l'esperimento LUX-ZEPLIN, un rivelatore leader di questo tipo, ha riportato un evento candidato che potrebbe essere una collisione di materia oscura. Questo singolo evento, avvenuto a un livello di energia specifico, ha scatenato un intenso interesse perché suggerisce che la materia oscura possa interagire con la materia ordinaria in un modo che richiede alla particella oscura di acquisire una piccola quantità di energia per innescare la collisione. Questo scenario, noto come scattering endotermico, implica che le particelle di materia oscura esistano in due forme: una versione più leggera e stabile e una versione leggermente più pesante ed eccitata. Per creare il segnale, una particella di materia oscura deve assorbire energia dalla sua collisione per passare dallo stato leggero a quello pesante. Tuttavia, questo singolo evento non dice cosa sia effettivamente la particella di materia oscura. Potrebbe essere un tipo di fermione, una classe di particelle che include elettroni e protoni, o potrebbe essere uno scalare, un tipo diverso di particella che si comporta più come un campo che come un oggetto solido. Distinguere tra queste due possibilità è cruciale per comprendere la natura fondamentale dell'universo, ma sulla Terra, i segnali che producono in un rivelatore di xenon sono quasi identici.

Per risolvere questo enigma, un team di ricercatori ha rivolto la propria attenzione al Sole. Si sono posti una domanda semplice ma profonda: se due diversi tipi di materia oscura producono lo stesso identico segnale in un rivelatore di xenon sulla Terra, può il Sole distinguerli? Il Sole agisce come una massiccia trappola gravitazionale, attirando particelle di materia oscura dalla galassia. Quando queste particelle collidono con i nuclei degli atomi all'interno del Sole, possono perdere abbastanza velocità da rimanere intrappolate in un'orbita attorno al nucleo solare. Una volta intrappolate, continuano a rimbalzare, perdendo ulteriore energia a ogni collisione, finché non si stabilizzano in una densa e calda nube al centro. Alla fine, queste particelle si incontrano e si annichiliscono a vicenda, rilasciando neutrini ad alta energia che possono essere rilevati dai telescopi sulla Terra. I ricercatori si sono resi conto che, mentre la cattura iniziale di queste particelle potrebbe apparire identica per entrambi i fermioni e gli scalari, ciò che accade successivamente all'interno del Sole potrebbe essere molto diverso.

Il team ha costruito una simulazione dettagliata per confrontare due modelli specifici di materia oscura: un doppietto fermionico diviso e un doppietto scalare inerte. Hanno calibrato attentamente le proprietà di questi due modelli in modo che producessero lo stesso identico numero di collisioni nel rivelatore LUX-ZEPLIN, rendendoli di fatto indistinguibili in un esperimento terrestre. Hanno poi tracciato il viaggio di queste particelle mentre cadevano nel Sole. La differenza chiave risiedeva in quanto tempo lo stato eccitato della particella durasse prima di decadere nuovamente al suo stato fondamentale. Per il modello fermionico, lo stato eccitato è estremamente breve, decadendo quasi istantaneamente. Per il modello scalare, lo stato eccitato è molto più longevo, sopravvivendo per giorni. Questa differenza di tempistica cambia l'intera storia di ciò che accade all'interno del Sole.

Nello scenario fermionico, la particella decade così rapidamente che si comporta essenzialmente come un unico tipo di particella che ha già perso la sua energia extra. Essa si raffredda efficientemente e si stabilizza nel nucleo solare, dove si annichilisce con la sua compagna. Nello scenario scalare, la particella rimane nel suo stato eccitato per un tempo molto più lungo. Durante questo periodo esteso, è più probabile che rimbalzi contro altri atomi e acquisisca velocità, potenzialmente sfuggendo alla gravità del Sole prima ancora di avere la possibilità di raffreddarsi e stabilizzarsi nel nucleo. I ricercatori hanno scoperto che questa sottile differenza nella durata porta a una differenza misurabile nell'esito finale. Sebbene entrambi i modelli catturino con successo la materia oscura e raggiungano uno stato di equilibrio in cui la cattura bilancia l'annichilazione, il modello scalare trattiene leggermente meno particelle nel nucleo. Nello specifico, il tasso con cui la materia oscura scalare si annichilisce è circa il cinque-otto per cento inferiore rispetto a quello della materia oscura fermionica, nonostante partissero dallo stesso tasso di cattura.

Questo risultato è significativo perché dimostra che il Sole può agire come un filtro, rivelando differenze tra modelli di particelle che sono nascoste nei rivelatori terrestri. I ricercatori non hanno trovato un modo per escludere completamente l'uno o l'altro modello, né hanno provato che uno sia la risposta corretta al mistero della materia oscura. Invece, hanno dimostrato che i due modelli, pur essendo indistinguibili in un serbatoio di xenon, seguono percorsi evolutivi differenti all'interno di una stella. Le particelle scalari, a causa del loro stato eccitato più longevo, sono leggermente più inclini a sfuggire al Sole, portando a una modesta riduzione del numero totale di eventi di annichilazione. Questa differenza è piccola, ma è costante attraverso un ampio intervallo di ipotesi sulla densità della materia oscura nella nostra galassia e sulla struttura interna del Sole.

Lo studio ha anche esaminato la natura dei segnali prodotti da queste annichilazioni. Quando le particelle di materia oscura si annichiliscono, spesso producono coppie di bosoni W o Z, che sono particelle pesanti che trasportano la forza nucleare debole. Questi bosoni decadono poi in altre particelle, inclusi i neutrini. I ricercatori hanno scoperto che i modelli fermionici e scalari producono questi bosoni con caratteristiche diverse, come diversi stati di polarizzazione, il che risulterebbe in spettri energetici leggermente diversi per i neutrini prodotti. Quando hanno confrontato i loro segnali di neutrini previsti con i dati esistenti dell'Osservatorio di Neutrini IceCube, hanno scoperto che i segnali previsti per entrambi i modelli erano più forti dei limiti attuali stabiliti da IceCube per un tipo specifico di materia oscura. Tuttavia, questo confronto è stato effettuato a livello di sorgente, il che significa che non teneva conto di tutte le complessità di come i neutrini viaggiano attraverso il Sole o di come il rivelatore risponda a essi. Pertanto, questa scoperta non costituisce ancora un'esclusione definitiva di nessuno dei due modelli, ma evidenzia che i due modelli produrrebbero firme di neutrini distinte che analisi future più dettagliate potrebbero potenzialmente distinguere.

In definitiva, questo lavoro fornisce un nuovo strumento per indagare la natura della materia oscura. Dimostra che anche quando due teorie prevedono lo stesso segnale in un esperimento di rilevamento diretto, l'ambiente astrofisico del Sole può esporre le loro differenze sottostanti. I ricercatori non hanno scoperto cos'è la materia oscura, ma hanno mostrato come il Sole possa aiutare a distinguere tra due candidati molto simili. Combinando i dati dei rivelatori sotterranei con la fisica dell'evoluzione stellare, gli scienziati possono iniziare a restringere il vasto panorama delle possibili teorie sulla materia oscura. Lo studio conferma che il Sole non è solo un osservatore passivo nella ricerca della materia oscura, ma un laboratorio attivo dove la dinamica sottile della fisica delle particelle si svolge su scala grandiosa, offrendo una prospettiva complementare che gli esperimenti terrestri da soli non possono fornire.