Achieving a 0.49 keV threshold in the COSINE-100 dark matter experiment

Nel profondo dell'universo, una vasta sostanza invisibile chiamata materia oscura si ritiene che tenga insieme le galassie. Essa costituisce circa un quarto di tutto ciò che esiste, eppure non emette luce, calore o alcun segnale che possiamo catturare facilmente. Gli scienziati hanno trascorso decenni cercando di trovarla, proponendo che possa essere composta da particelle pesanti e a lento movimento che occasionalmente urtano gli atomi ordinari. Quando avviene una tale collisione, dovrebbe lasciare un minuscolo lampo di luce, un sussurro di energia che i rivelatori sensibili possono udire. La sfida è che questi sussurri sono incredibilmente deboli e vengono facilmente sommersi dal costante rumore di fondo del mondo naturale, dalle rocce radioattive ai raggi cosmici. Per udirli, i ricercatori devono costruire rivelatori nel profondo del sottosuolo, protetti da chilometri di roccia, e ascoltare con strumenti così precisi da poter distinguere una singola scintilla di luce dal rumore.

In una valle silenziosa in Corea del Sud, un team di scienziati ha ascoltato questi sussurri utilizzando una grande serie di cristalli fatti di ioduro di sodio, un materiale che brilla quando viene colpito da una particella. Questo esperimento, noto come COSINE-100, è in corso da sei anni, raccogliendo una quantità massiccia di dati. Per molto tempo, il team ha potuto fidarsi solo di segnali abbastanza forti da emergere chiaramente sopra il rumore di fondo, il che significava che perdevano i sussurri più deboli ed elusivi. Tuttavia, una nuova analisi del loro intero set di dati di sei anni ha cambiato le regole del gioco. Utilizzando un sofisticato programma informatico per apprendere la differenza tra l'impatto di una particella reale e un glitch casuale, i ricercatori hanno abbassato la loro soglia di ascolto a un livello di 0,49 keV. Questa è un'unità di energia così piccola che rappresenta il segnale più debole che il rivelatore può identificare in modo affidabile, permettendo al team di udire le interazioni più silenziose possibili.

La chiave di questo traguardo è stata insegnare a un computer a riconoscere la forma unica di un lampo di luce causato da una particella. In passato, il team si affidava a metodi più semplici che faticavano quando i segnali erano deboli, scambiandoli spesso per rumore elettronico o mancandoli del tutto. Per questo nuovo studio, i ricercori hanno creato milioni di simulazioni al computer di come dovrebbe apparire l'impatto di una particella reale. Hanno poi addestrato una rete neurale, un tipo di intelligenza artificiale, per confrontare i dati reali dei cristalli con queste simulazioni. Il computer ha imparato a individuare modelli sottili nel modo in cui gli impulsi di luce salgono e scendono, distinguendo il decadimento lento e fluido di un evento reale dagli impulsi rapidi ed erratici del rumore. Questo addestramento è stato eseguito separatamente per diversi gruppi di eventi, a seconda di quanti picchi distinti di luce apparivano nel segnale, garantendo che il computer fosse il più accurato possibile in tutto l'intervallo di energie.

Il risultato è un filtro che è allo stesso tempo nitido e sensibile. Mantiene più del dieci per cento dei segoli delle particelle reali alla nuova soglia ultra-bassa, respingendo il novantanove per cento del rumore. Per dimostrare che questo metodo funziona, il team ha verificato i propri risultati rispetto a fonti di luce note all'interno del rivelatore, come gli atomi radioattivi naturalmente presenti nei cristalli. Hanno confermato che il computer stava identificando correttamente gli eventi reali e che le sue prestazioni rimanevano costanti durante l'intero periodo di sei anni di raccolta dati. Questa stabilità è fondamentale, poiché significa che il team può fidarsi dei dati che sta vedendo, sapendo che il rivelatore non ha subito derive o cambiamenti nel suo comportamento nel tempo.

Con questa nuova capacità di udire segnali più deboli, i ricercatori hanno migliorato significativamente le loro possibilità di trovare la materia oscura, in particolare le versioni più leggere delle ipotetiche particelle. Le particelle più leggere si muovono più lentamente e creano lampi di energia minori, quindi erano precedentemente nascoste al di sotto del limite di rilevamento. Ora, il team può cercarle in un intervallo di massa compreso tra 2,0 e 2,8 GeV/c², una regione dell'universo che è rimasta in gran parte inesplorata da altri esperimenti. La loro analisi suggerisce che se queste particelle di materia oscura leggera esistono e interagiscono con i protoni in un modo specifico, il rivelatore COSINE-100 dovrebbe essere in grado di vederle. Sebbene il team non abbia ancora trovato un segnale definitivo, la loro migliore sensibilità permette di stabilire i limiti più severi finora raggiunti su dove queste particelle potrebbero nascondersi, escludendo efficacemente un ampio ventaglio di possibilità che altri esperimenti non potevano raggiungere.

Questo lavoro aiuta anche a risolvere un dibattito di lunga data nel campo. Un altro esperimento, DAMA/LIBRA, ha riportato di aver visto un'oscillazione annuale nei suoi dati che sostiene sia causata dalla materia oscura, ma altri rivelatori non sono stati in grado di confermarlo. Poiché i due esperimenti utilizzano lo stesso tipo di cristallo, dovrebbero essere in grado di confrontare direttamente i propri risultati. Tuttavia, le differenze nel modo in cui misurano l'energia avevano reso difficile un confronto diretto. Abbassando la loro soglia a 0,49 keV e tenendo conto attentamente di come i loro cristalli rispondono all'energia, il team di COSINE-100 ha ora raggiunto lo stesso punto di partenza a bassa energia di DAMA/LIBRA. Ciò consente loro di testare la rivendicazione dell'altro esperimento su tutto l'intervallo di energie in cui il segnale è stato riportato, senza dover fare assunzioni su come si comportano le particelle.

Le scoperte rappresentano un grande passo avanti nella ricerca dell'universo invisibile. Spingendo i confini di ciò che i loro rivelatori possono udire, gli scienziati hanno aperto una nuova finestra nel regno a bassa massa della materia oscura. Hanno dimostrato che con gli strumenti giusti e abbastanza pazienza, anche i sussurri più deboli del cosmo possono essere distinti dal silenzio. Sebbene il mistero della materia oscura rimanga irrisolto, questo lavoro dimostra che la ricerca è tutt'altro che finita e che la prossima svolta potrebbe arrivare dall'ascoltare solo un po' più attentamente.