Supermassive charged gravitinos and the Lux-Zeplin event
Questo articolo propone che l'evento insolito riportato dalla collaborazione Lux-Zeplin, precedentemente interpretato come evidenza di WIMP, sia più probabilmente causato da gravitini supermassicci a carica frazionaria, un'ipotesi distinta da grandi sezioni d'urto elettromagnetiche, bassi tassi di flusso e una firma prevista di rinculi nucleari sequenziali entro microsecondi.
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La materia oscura è l'impalcatura invisibile dell'universo, una sostanza misteriosa che tiene insieme le galassie ma si rifiuta di rivelarsi. Per decenni, la teoria dominante è stata che questa sostanza sia composta da particelle massicce a debole interazione, o WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Queste sono particelle ipotetiche che sono pesanti ma interagiscono appena con la materia ordinaria, passando attraverso la Terra come fantasmi. Per trovarle, gli scienziati hanno costruito enormi rilevatori ultrasensibili nelle profondità del sottosuolo, in attesa di un raro e debole sussulto causato da una WIMP che colpisce un nucleo atomico. Recentemente, la collaborazione Lux-Zeplin, che opera un rilevatore riempito di xenon liquido, ha riportato un singolo evento insolito che sembrava un potenziale impatto di una WIMP. Tuttavia, due fisici, Krzysztof A. Meissner e Hermann Nicolari, hanno proposto una spiegazione radicalmente diversa per questo stesso evento. Essi suggeriscono che la particella responsabile non fosse una WIMP spettrale, ma un gravitino supermassiccio e caricamente elettrico — una particella pesante prevista dalle teorie della gravità e della meccanica quantistica che interagisce fortemente con la materia, lasciando una traccia molto diversa.
Gli autori di questo nuovo studio sostengono che l'interpretazione standard delle WIMP si basa sull'idea che le particelle di materia oscura interagiscano così debolmente da non colpire quasi mai nulla. Al contrario, la loro teoria alternativa ipotizza che la materia oscura possa essere composta da gravitini che portano una carica elettrica. Poiché sono carichi, queste particelle interagirebbero elettromagneticamente con gli atomi nel rilevatore, molto più come un proiettile pesante che colpisce un bersaglio, piuttosto che scivolare via inosservate. Mentre ci si aspetterebbe che una WIMP produca un segnale singolo e isolato, un gravitino carico sarebbe abbastanza pesante da trapassare il rilevatore, colpendo più atomi lungo un percorso rettilineo in rapida successione. I ricercatori sottolineano che il singolo evento registrato dal rilevatore Lux-Zeplin, con un'energia di rinculo di circa 248 keV, si adatta alle previsioni per un gravitino altrettanto bene quanto si adatta a una WIMP, ma le due teorie fanno previsioni molto diverse su cosa altro dovrebbe essere accaduto durante quel momento.
Il nucleo della nuova proposta risiede nell'idea che questi gravitini siano incredibilmente massicci, con una massa vicina alla massa di Planck, ovvero la scala in cui la gravità e la meccanica quantistica si incontrano. Poiché sono così pesanti, si muovono relativamente lentamente, eppure trasportano abbastanza quantità di moto da causare danni significativi quando collidono con un atomo. A differenza delle WIMP, che si teorizza interagiscano solo attraverso la forza nucleare debole, questi gravitini carichi interagiscono attraverso l'elettromagnetismo. Ciò significa che, mentre un gravitino attraversa lo xenon liquido nel rilevatore, non colpisce solo un nucleo e si ferma; è probabile che colpisca diversi nuclei in sequenza. Gli autori calcolano che, se un gravitino entra nel rilevatore, vi è un'alta probabilità che causi un secondo, e persino un terzo, rinculo nucleare entro pochi microsecondi dal primo. Questi urti secondari sarebbero di energia inferiore rispetto al primo, ma avverrebbero in una linea perfettamente retta, tracciando il percorso della particella in entrata.
Il documento sottolinea che il singolo evento osservato dalla collaborazione Lux-Zeplin non può provare definitivamente che tipo di particella sia stata vista, poiché i dati da soli non identificano la particella. Tuttavia, gli autori sostengono che l'ipotesi WIMP richiede che la particella abbia una sezione d'urto minuscola, il che significa che interagisce raramente, mentre l'ipotesi del gravitino richiede una sezione d'impatto grande, il che significa che interagisce frequentemente. Nello scenario del gravitino, il motivo per cui vediamo così pochi eventi non è che le particelle siano timide, ma perché sono incredibilmente rare in numero. I ricercatori stimano che, mentre il flusso di WIMP potrebbe essere elevato, il flusso di questi gravitini supermassicci sarebbe infinitesimale, forse solo poche particelle per metro quadrato all'anno. Questa scarsità spiega perché sia stato visto solo un evento, nonostante la particella stessa sia un interattore "rumoroso".
Per distinguere tra queste due possibilità, gli autori suggeriscono di cercare una firma specifica che una WIMP non potrebbe mai produrre: una sequenza di rinuclei multipli lungo una linea retta. Se il rilevatore Lux-Zeplin dovesse registrare due o più urti nucleari che avvengono entro pochi microsecondi l'uno dall'altro, e se tali urti fossero perfettamente allineati, sarebbe una prova schiacciante di una particella supermassiccia e carica. Il documento nota che il rumore di fondo, come i neutroni provenienti dalla radioattività naturale, potrebbe teoricamente causare urti multipli, ma l'energia e la velocità necessarie affinché un neutrone imiti questo schema sono così estreme da essere statisticamente improbabili. Inoltre, i neutroni si muoverebbero molto più velocemente dei lenti gravitini, rendendo la tempistica degli eventi un fattore discriminante chiave. Gli autori menzionano anche che un gravitino carico interagirebbe con gli elettroni nel rilevatore, creando potenzialmente un debole bagliore di luce lungo il suo percorso, sebbene questo segnale specifico non sia ancora stato calcolato per lo xenon.
In definitiva, questo articolo non sostiene di aver risolto il mistero della materia oscura, ma offre un'alternativa convincente al modello standard che si adatta ai dati esistenti. Sfida l'assunto che la materia oscura debba essere debolmente interagente, suggerendo invece che possa essere composta da particelle pesanti e cariche che sono semplicemente troppo rare per essere viste spesso. Se le osservazioni future del rilevatore Lux-Zeplin rivelassero il pattern previsto di rinuclei sequenziali in linea retta, ciò non solo confermerebbe l'esistenza di questi gravitini supermassicci, ma fornirebbe anche la prima prova osservativa diretta della fisica alla scala di Planck, collegando le particelle più piccole alla forza di gravità in un modo mai visto prima. Fino a quando tale schema non verrà trovato, il singolo evento rimane una questione aperta, in attesa che il prossimo pezzo del puzzle si incastri al suo posto.
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