Un segnale dal buio : LUX-ZEPLIN ha intercettato la materia oscura ?

Materia oscura : un singolo evento registrato nelle profondità del South Dakota non costituisce una scoperta, ma apre un interrogativo affascinante

Tra ipotesi teoriche, controllo degli errori e prudenza statistica, il caso mostra come la scienza proceda lungo il confine tra ciò che conosce e ciò che non sa ancora spiegare

A quasi un miglio sotto la superficie del South Dakota, protetto da centinaia di metri di roccia, un enorme rivelatore contenente xeno liquido attende il passaggio di qualcosa che nessuno è ancora riuscito a osservare direttamente. È l’esperimento LUX-ZEPLIN, più semplicemente LZ, progettato per cercare le particelle che potrebbero costituire la materia oscura.

Durante l’analisi di 220 giorni di dati raccolti tra marzo 2023 e aprile 2024, i ricercatori hanno individuato un singolo evento particolarmente interessante. L’interazione appare compatibile con un rinculo nucleare dall’energia di circa 248 kiloelettronvolt e si trova in una regione nella quale i fenomeni di fondo conosciuti dovrebbero essere molto rari.

Potrebbe essere la traccia lasciata da una particella di materia oscura? La risposta più rigorosa, per il momento, è una sola: non lo sappiamo.

La materia che vediamo non basta

La materia oscura non è stata immaginata per colmare arbitrariamente un vuoto della conoscenza. La sua esistenza viene ipotizzata a partire da numerose osservazioni astronomiche: la velocità di rotazione delle galassie, il moto degli ammassi galattici, le lenti gravitazionali e la distribuzione della materia su scala cosmologica non sembrano spiegabili considerando soltanto stelle, gas, polveri e pianeti.

Gli effetti gravitazionali indicano la presenza di una componente invisibile che rappresenterebbe circa l’85 per cento della materia dell’Universo. “Invisibile”, tuttavia, non significa immateriale, misteriosa in senso soprannaturale o sottratta per principio all’indagine scientifica. Significa che questa componente non emette, non assorbe e non riflette luce in una forma che gli strumenti astronomici possano rilevare direttamente.

Sappiamo dunque qualcosa dei suoi effetti gravitazionali, ma ignoriamo quale sia la sua natura microscopica. Una delle ipotesi più studiate è quella delle WIMP, particelle dotate di massa ma capaci di interagire molto debolmente con la materia ordinaria.

Un osservatorio sepolto nella roccia

LUX-ZEPLIN opera presso il Sanford Underground Research Facility, ricavato nell’antica miniera d’oro di Homestake. La profondità non è un dettaglio scenografico: la roccia sovrastante scherma gran parte dei raggi cosmici che raggiungono continuamente la superficie terrestre e che potrebbero produrre segnali simili a quelli ricercati.

Il cuore dell’apparato è una camera a proiezione temporale a doppia fase contenente sette tonnellate attive di xeno liquido, inserita in un sistema che impiega complessivamente circa dieci tonnellate di questo elemento. Quando una particella interagisce con un atomo di xeno, può produrre un lampo immediato di scintillazione e liberare alcuni elettroni. Questi ultimi vengono trasportati da un campo elettrico verso la parte superiore del rivelatore, dove generano un secondo segnale luminoso.

Il confronto tra i due segnali, insieme alla ricostruzione della posizione dell’interazione, consente agli scienziati di distinguere differenti tipi di eventi e di eliminare gran parte delle interferenze. Il rivelatore centrale è inoltre circondato da acqua e da sistemi esterni che aiutano a identificare neutroni e altre particelle provenienti dalla materia ordinaria.

L’esperimento non “fotografa” quindi la materia oscura. Cerca gli effetti minuscoli che un suo eventuale urto con un nucleo di xeno potrebbe lasciare nell’apparato.

L’evento che non rientra facilmente nel fondo

La nuova analisi della collaborazione LUX-ZEPLIN ha esteso la ricerca fino a energie di rinculo nucleare prossime a 270 kiloelettronvolt. La regione analizzata permette di esplorare modelli più complessi rispetto alla forma più semplice di interazione tra WIMP e nuclei atomici.

Nel campione corrispondente a un’esposizione di 2,84 tonnellate-anno è apparso un evento compatibile con un rinculo nucleare di (248 \pm 23) keV di incertezza statistica, cui si aggiunge un’incertezza sistematica della stessa entità. I controlli effettuati non hanno individuato difetti evidenti nella ricostruzione e le spiegazioni basate sui fenomeni di fondo considerati risultano poco probabili. Questo è il dato. Da qui comincia l’interpretazione.

Se l’evento fosse stato prodotto da una WIMP, secondo le valutazioni illustrate dal Lawrence Berkeley National Laboratory, la particella dovrebbe probabilmente possedere una massa di almeno 200 GeV/c², oltre duecento volte quella del protone. Sarebbe inoltre necessario considerare un tipo di interazione più articolato rispetto al modello standard utilizzato nelle ricerche più comuni. Si tratta però di una possibilità teorica, non dell’identificazione della particella responsabile.

Che cosa significa “2,6 sigma”

Il risultato presenta una significatività locale massima di 3,4 sigma per alcuni dei modelli esaminati. Dopo avere tenuto conto del cosiddetto “effetto altrove” — la maggiore probabilità di trovare casualmente qualcosa di insolito quando si esaminano molte ipotesi e differenti regioni dei dati — la significatività globale scende a 2,6 sigma.

In termini approssimativi, se il modello dei fenomeni di fondo fosse completo, la probabilità di ottenere una deviazione almeno altrettanto rilevante sarebbe nell’ordine dello 0,5 per cento. È una probabilità abbastanza piccola da rendere l’evento interessante, ma non abbastanza da trasformarlo in una scoperta.

Nella fisica delle particelle viene generalmente richiesta una significatività di 5 sigma prima di annunciare una scoperta. La soglia è molto severa perché la storia della ricerca contiene numerose anomalie che, con l’arrivo di nuovi dati, sono scomparse oppure si sono rivelate conseguenze di errori strumentali, fluttuazioni statistiche o fenomeni di fondo inizialmente sottovalutati.

Anche una probabilità bassa non equivale alla certezza che l’alternativa più affascinante sia corretta. Può esistere un processo raro non ancora incluso nel modello, un comportamento insolito del rivelatore o una coincidenza statistica.

L’anomalia non è ancora una spiegazione

Un singolo evento non permette di riconoscere una distribuzione, verificare una frequenza o confrontare con precisione le proprietà osservate con quelle previste da un modello. Se LZ registrasse altri eventi analoghi, con energie e caratteristiche coerenti, l’ipotesi di una nuova particella diventerebbe progressivamente più solida. Se invece il fenomeno rimanesse isolato mentre aumentano i dati disponibili, la sua rilevanza tenderebbe a diminuire.

La collaborazione sta continuando a raccogliere informazioni e punta a raggiungere complessivamente mille giorni di attività scientifica. Sarà l’ampliamento del campione a mostrare se il segnale rappresenti l’inizio di una sequenza oppure soltanto un’eccezione.

Nel frattempo, anche altri esperimenti dovranno cercare fenomeni compatibili. Una scoperta di questa portata richiederebbe infatti non soltanto maggiore significatività statistica, ma anche verifiche indipendenti e coerenza con le osservazioni cosmologiche e con i risultati degli altri rivelatori.

La prudenza come forza della ragione

La vicenda di LUX-ZEPLIN offre un’immagine preziosa del metodo scientifico. Davanti a un evento sorprendente, i ricercatori non hanno dichiarato di avere trovato ciò che stavano cercando. Hanno descritto il dato, quantificato le incertezze, analizzato le possibili interferenze e sottoposto il risultato al giudizio della comunità scientifica.

La prudenza non riduce l’importanza dell’osservazione. Al contrario, la rende credibile. Dire “non sappiamo ancora” non rappresenta una debolezza della scienza, ma il riconoscimento del confine tra conoscenza e desiderio, tra ciò che gli strumenti mostrano e ciò che vorremmo che mostrassero.

L’evento registrato nel South Dakota potrebbe essere una semplice fluttuazione, la conseguenza di un processo ancora poco compreso oppure il primo segnale di una componente fondamentale dell’Universo. Al momento queste possibilità non hanno lo stesso fascino, ma devono ricevere la stessa attenzione critica.

Nelle profondità della Terra, LUX-ZEPLIN non ha ancora illuminato il mistero della materia oscura. Ha però individuato una piccola traccia che resiste, almeno per ora, alle spiegazioni disponibili. Ed è spesso proprio da anomalie come questa, osservate con curiosità ma anche con disciplina, che la scienza comincia a formulare domande nuove.

Immagine : Il rivelatore LUX-ZEPLIN durante le operazioni di preparazione. Credits : Matthew Kapust / Sanford Underground Research Facility.