Se fosse corroborato da altri dati, il rilevamento potrebbe significare che la materia oscura, la sostanza invisibile che si pensa tenga insieme le galassie, è stata finalmente scoperta. E dimostrerebbe che è formata da particelle con una massa molto superiore a quella dei protoni, dette Wimp (particelle massive a debole interazione), che sono state teorizzate ma non sono mai state trovate nonostante decenni di ricerche.

Gli scienziati che lavorano all’esperimento Lux-Zeplin(Lz) alla Sanford underground research facility, un laboratorio sotterraneo nel South Dakota, lo hanno annunciato il 1 settembre alla conferenza Tev particle astrophysics a Tendo, in Giappone, e descritto in uno studio non ancora sottoposto a revisione sul sito dell’esperimento.

Da altre ricerche erano emersi segnali promettenti di materia oscura che però si sono rivelati infondati, avvertono i ricercatori. Ma l’evento rilevato da Lz “è intrigante ed entusiasmerà senz’altro la comunità scientifica”, dice Jianglai Liu, fisico dell’università Jiao Tong di Shanghai .

Da decenni i teorici ipotizzano che la materia oscura sia composta principalmente da Wimp, ma finora i tentativi di rilevarla mentre attraversa la Terra, o di crearla facendo scontrare gli atomi in acceleratori di particelle come l’Lhc del Cern di Ginevra, in Svizzera, sono falliti. Così molti ricercatori si sono concentrati su altre possibili candidate, come le particelle leggerissime.

Avviato alla fine del 2021, Lz è una versione su scala maggiore di esperimenti precedenti mirati al “rilevamento diretto” della materia oscura mediante lo xeno. Samuel Eriksen, il ricercatore che ha presentato i risultati a Tendo, ha analizzato insieme ai colleghi i dati di 220 giorni di osservazione, da marzo 2023 ad aprile 2024.

Si sono concentrati in particolare sui rari lampi che si sprigionano quando una particella ad alta energia si scontra con un nucleo di xeno, facendolo rinculare a gran velocità. “In genere la ricerca prende in esame le basse energie, inferiori ai 50 kiloelettronvolt (keV), depositate” sul nucleo di xeno, dice Eriksen, fisico delle particelle dell’università di Bristol, Regno Unito. “In questo studio siamo arrivati a 270 keV”.

Lz e altri due esperimenti – Xenon dei laboratori nazionali del Gran Sasso, in Italia, e PandaX del laboratorio sotterraneo cinese di Jinping, nel Sichuan – avevano già condotto studi in questo range, spiega Eriksen. Ma si erano avvalsi dei pochi dati di versioni più piccole e meno avanzate dei rispettivi rilevatori, e non avevano trovato nulla a parte i falsi segnali previsti, come i neutroni ad alta energia prodotti dalla radiazione cosmica di fondo.

Per evitare errori, durante ogni analisi Lz aggiunge ai suoi dati numerosi eventi generati a caso che imitano gli effetti della materia oscura, spiega Richard Gaitskell, fisico della Brown university a Providence, nel Rhode Island, e portavoce dell’esperimento. Concluso l’esame di ogni insieme di dati, quegli eventi vengono “sottratti” per verificare se eventuali segnali rimanenti di materia oscura sono genuini. “Alla fine è rimasto un solo evento”, racconta Gaitskell. “E ovviamente è stato esaltante”.

L’evento in questione è il rinculo che ha depositato 248 keV di energia nel rilevatore. I ricercatori calcolano che una particella di materia oscura capace di produrlo dovrebbe pesare l’equivalente di almeno 200 gigaelettronvolt (geV), forse intorno ai mille (un geV corrisponde all’incirca alla massa di un protone).

“Abbiamo osservato solo un segnale ad alta energia”, dice Eriksen. “Non stiamo affermando che sia materia oscura”.

“Una cosa è certa: è un evento sorprendente”, commenta Caterina Doglioni, che insegna fisica delle particelle all’università di Manchester e lavora all’esperimento Atlas all’Lhc del Cern.

Poiché la ricerca si è concentrata su una regione meno indagata delle possibili energie, prima di escludere le ipotesi alternative “serve molta cautela”, dice Liu, portavoce dell’esperimento PandaX. “Le spiegazioni semplici vanno esplorate in maniera approfondita”.

Juan Collar, fisico dell’università di Chicago che ha condotto esperimenti precedenti di rilevamento diretto della materia oscura, ritiene che Lz abbia fatto un buon lavoro nell’escludere la radiazione di fondo. Tuttavia aggiunge che le due spiegazioni – la radiazione e le Wimp – hanno lo stesso difetto: oltre ai rinculi ad alta energia dovrebbero produrre un eccesso di rinculi a bassa energia, che Lz non ha invece osservato.

Come spiega Eriksen, il team ha deciso comunque di diffondere i risultati dopo aver concluso che non potevano essere spiegati con la fisica conosciuta. “Valeva la pena di renderli pubblici”. Collar è d’accordo: “Sarebbe assurdo osservare un dato simile e non divulgarlo”.

Sia Atlas sia Cms, un altro esperimento dell’Lhc, cercano particelle con proprietà simili a quelle delle Wimp e hanno scartato molti dei principali modelli teorici che le rappresentano, ma non hanno escluso del tutto la loro esistenza, spiega Doglioni.

Se il segnale è genuino, altri dati già raccolti da Lz e da PandaX e Xenon dovrebbero essere in grado di confermarlo. “Xenonnt dovrebbe avere una sensibilità simile a quella di Lz” per un range analogo di energie di rinculo, commenta Elena Aprile, portavoce dell’esperimento. “Se l’evento è reale succederà tutto molto in fretta”, conferma Collar.

“C’è da sperare che finalmente capiremo cos’è davvero la materia oscura”, dice Simona Murgia, astrofisica dell’università della California a Irvine. ◆ sdf