XENON1T, uno degli esperimenti di punta nella ricerca diretta della materia oscura, operativo dal 2016 al 2018 presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell'INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, ha presentato il 17 giugno, nel corso di un seminario online dai LNGS, l'analisi dei suoi ultimi dati, mostrando un inatteso eccesso di eventi. 

Il segnale osservato ha un'alta significatività statistica, potrebbe essere dovuto alla presenza una minuscola quantità di trizio, un isotopo dell'idrogeno. Ma potrebbe anche essere il segnale di qualcosa di molto più eccitante, come l'esistenza di nuove particelle, per esempio gli assioni solari. Oppure, altra ipotesi interessante, potrebbe implicare nuove proprietà dei neutrini.

Coordinato da Elena Aprile, della Columbia University di New York, il progetto XENON dà la caccia alle particelle di materia oscura, e tra queste alla loro versione più accreditata, ovvero alle cosiddette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles). Per queste il rivelatore XENON1T ha ottenuto i limiti più stringenti sulla loro probabilità di interazione con la materia ordinaria, su un ampio spettro di masse possibili.

In generale la tecnica sperimentale dello Xenon liquido è sensibile anche ad altri tipi di particelle ed interazioni, molto rare, che possono spiegare anche altri problemi aperti in fisica e astrofisica. Nel 2019, per esempio, sempre con i dati di XENON1T gli scienziati hanno pubblicato in copertina su Nature la misura del più raro decadimento nucleare che sia mai stato osservato direttamente.

Per la costruzione del rivelatore XENON1T sono state impiegate 3,2 tonnellate di xenon liquido ultra-puro, di cui 2 t costituenti la regione sensibile del rivelatore. Quando una particella attraversa lo xenon genera un debole segnale luminoso e libera una manciata di elettroni, rivelando in questo modo la sua presenza. Il rapporto tra la luce prodotta ed il numero di elettroni liberati consente di identificare il tipo di interazione, ovvero la natura della particella. La maggior parte di queste interazioni è dovuta a particelle la cui esistenza è nota ed il numero di interazioni da esse prodotte nel rivelatore è calcolabile con grande precisione. 

Eventi prodotti da particelle note costituiscono un rumore di fondo per la rivelazione di materia oscura ed il loro numero determina la sensibilità del rivelatore. XENON1T è stato il rivelatore più sensibile, con il fondo più basso mai ottenuto nella ricerca di materia oscura.

Tuttavia quando i dati di XENON1T sono stati messi a confronto con il fondo atteso, si è osservato un eccesso di 53 eventi rispetto ai 232 che ci si aspettava di osservare. L'eccesso è presente soprattutto a bassa energia, al di sotto di 7 keV, ed è dovuto ad eventi distribuiti uniformemente nel volume sensibile del rivelatore e lungo tutto il periodo di acquisizione dati.

Tre al momento sembrano essere le spiegazioni dell'eccesso osservato.

E' possibile che fosse presente un'infinitesima quantità di Trizio nel rivelatore, questo costituirebbe una sorgente aggiuntiva non considerata nel computo degli eventi di fondo. Basterebbero pochi atomi di trizio su 10²⁵ (10,000,000,000,000,000,000,000,000!) atomi di xenon per spiegare l'eccesso osservato. Il trizio è un isotopo dell'idrogeno che decade spontaneamente emettendo un elettrone con energia contenuta nell'intervallo energetico del segnale osservato, può essere naturalmente presente in traccia nei materiali impiegati per costruire il rivelatore. Al momento non ci sono misure indipendenti che permettano di confermare o confutare la presenza di trizio nel rivelatore, quindi una risposta definitiva a questa spiegazione non è ancora possibile.

Una seconda, e molto più eccitante, possibilità è che l'eccesso sia dovuto all'esistenza di una nuova particella, ovvero agli assioni solari. L'eccesso osservato ha infatti uno spettro energetico molto simile a quello previsto per gli assioni prodotti nel Sole ed interagenti nel rivelatore XENON1T. Gli assioni sono una ipotetica particella proposta per spiegare una particolare simmetria nelle interazioni nucleari forti (cioè le forze che tengono assieme i nuclei degli atomi), e il Sole potrebbe essere una potente sorgente di queste particelle. Gli assioni solari non sono candidati a costituire la materia oscura, ma la loro scoperta segnerebbe la prima osservazione di una classe di particelle ben motivata teoricamente e ancora mai osservata, con un grande impatto nella comprensione della fisica delle particelle e dei fenomeni astrofisici. Oltre agli assioni solari, che potrebbero spiegare l'eccesso di eventi osservato da XENON1T, è stata ipotizzata anche l'esistenza di altri assioni che sarebbero stati prodotti nell'universo primordiale e che potrebbero, questi ultimi si, costituire una sorgente di materia oscura.

In alternativa l'eccesso potrebbe essere dovuto ai neutrini, miliardi dei quali attraversano indisturbati il nostro corpo ogni secondo. Questa interpretazione implicherebbe che il momento magnetico – una proprietà di tutte le particelle elementari legata alla loro probabilità di interagire – del neutrino sia molto più grande di quanto previsto dal modello Standard.

Delle tre possibili spiegazioni considerate dalla collaborazione XENON, l'eccesso osservato sembra privilegiare quella del segnale da assioni solari. In termini statistici l'ipotesi degli assioni solari ha una significatività di 3,5 sigma, pari a una probabilità di 2 su 10.000 che l'eccesso sia dovuto a una fluttuazione casuale del fondo, anziché a un nuovo segnale. Sebbene questa significatività sia piuttosto elevata, non è però ancora sufficiente a dichiarare la scoperta - per la quale si richiedono almeno 5 sigma - degli assioni solari, La significatività delle ipotesi trizio e momento magnetico del neutrino corrispondea 3,2 sigma, quindi sono anch'esse ben compatibili con i dati sperimentali.

In questo momento la collaborazione XENON sta procedendo alla costruzione di XENONnT, un nuovo e più sensibile rivelatore, successore di XENON1T. XENONnT avrà una massa di xenon 3 volte maggiore e un fondo atteso ulteriormente ridotto rispetto a XENON1T. Con i futuri dati di XENONnT, la collaborazione XENON si aspetta di scoprire se l'eccesso misurato da XENON1T è dovuto a una semplice fluttuazione statistica, a una nuova componente del fondo, o a qualcosa di più interessante: il segnale di una nuova particella o di un'interazione al di là del Modello Standard. 

Al progetto XENON partecipa attivamente un gruppo di fisici napoletani del Dipartimento di Fisica "Ettore Pancini" sotto la responsabilità di Michele Iacovacci. Il loro contributo è inserito nel programma di riduzione degli eventi di fondo tramite la costruzione di un sistema in grado di identificare i neutroni che nelle 8 tonnellate di xenon liquid di XENONnT potrebbero simulare eventi da interazione di materia oscura. Stiamo parlando di pochissimi eventi, circa 5 in 4 anni di operazione, che l'intervento del veto per neutroni ridurrà ad 1 evento circa. La riduzione dei fondi e l'aumento della massa del rivelatore consentiranno a XENONnT di migliorare la sensibilità ad eventi rari di un fattore 10 e sperabilmente di misurare le prime interazioni di materia oscura.

LINK
L'esperimento XENON1T
La costruzione di XENON1T ai LNGS (filmato)

Responsabile internazionale collaborazione XENON
Elena Aprile | xe-pr@lngs.infn.it| +39 3494703313 | +1 212 854 3258

Responsabile gruppo XENON di Napoli
Michele Iacovacci, Dipartimento di Fisica "E. Pancini", michele.iacovacci@unina.it,+39 081676128 | +39 3388853113