Dark matter: oscura sì, ma non leptofilica

Dark matter: oscura sì, ma non leptofilica
Su Science e Physical Review Letters i nuovi risultati ottenuti dalla collaborazione dell’esperimento Xenon100, in funzione ai Laboratori del Gran Sasso dell’INFN: mettono in discussione per la prima volta una varietà di modelli finora accreditati come possibili spiegazioni della materia oscura
di Marco Malaspina   venerdì 21 agosto 2015 @ 00:54

L’esperimento Xenon100 nei laboratori del Gran Sasso. Crediti: INFN/LNGS
Materia oscura, il cerchio si stringe, titolavamo nel 2011 presentando nuovi risultati dell’esperimento Xenon100. Ebbene, a distanza di quattro anni la storia si ripete. Il protagonista è sempre lui, la Ferrari dei cacciatori di dark matter: 161 chili di xenon purissimo allo stato liquido, mantenuti a 90 gradi sotto zero all’interno d’un contenitore d’acciaio inox e protetti da uno scudo di roccia spesso 1400 metri nelle viscere del Gran Sasso. Ancora non ha visto alcuna traccia di materia oscura, ma con le sue ultime misure – riportate oggi su Science e su Physical Review Letters – il cerchio s’è stretto al punto da escludere dal perimetro dei modelli ammissibili anche un “vicino di casa”: l’ipotesi della cosiddetta “interazione leptofilica”, avanzata per spiegare i risultati dell’esperimento DAMA/LIBRA, che abita, appunto, a poche decine di metri di distanza dal domicilio di Xenon100 – ospiti entrambi dei Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Ma andiamo con ordine. I teorici della dark matter ipotizzano l’esistenza d’un alone galattico – un alone di materia oscura – che, venendo solcato dalla Terra nel corso della sua rivoluzione annuale attorno al Sole, potrebbe dare origine, nei rivelatori di materia oscura, a una variazione stagionale. Segnale che i cristalli di ioduro di sodio dell’esperimento DAMA/LIBRA, in effetti, sembrano intercettare. Lo vedono andare su e giù a seconda, appunto, delle stagioni: una modulazione con massimi e minimi a inizio giugno e inizio dicembre. E lo vedono comportarsi così da 15 anni.

Se confermato, sarebbe uno straordinario indizio diretto di materia oscura. Ma c’è un problema: altri esperimenti, almeno sulla carta anche più sensibili, non lo vedono. Com’è possibile? Un’ipotesi intrigante avanzata dal team di DAMA/LIBRA è che la materia oscura sia leptofilica: ovvero, che le garbi di più interagire con gli elettroni (membri della famiglia dei leptoni) che non con i nuclei atomici. E che magari, essendo tecnologie e rivelatori in gioco assai differenti, quelli di DAMA/LIBRA reagiscano più di altri a interazioni con gli elettroni. Ed è proprio questa eventualità che Xenon100 è andato a mettere alla prova.

«Il nostro esperimento è disegnato ipotizzando che l’interazione con la materia oscura avvenga preferenzialmente con i nuclei», spiega a Media INAF Gabriella Sartorelli, dell’Università e Sezione INFN di Bologna e rappresentante del gruppo italiano di Xenon100, «ma poiché è capace anche di vedere l’interazione con gli elettroni, dopo esserci assicurati d’aver eliminato tutto il rumore di fondo possibile ci siamo detti: bene, adesso possiamo guardare anche queste interazioni, che si confondono più facilmente con il fondo. E siamo andati a vedere se la dark matter interagisce con gli elettroni».

Risultato? Nessun segnale significativo che suggerisca la presenza d’una modulazione stagionale. E anche quella debolissima traccia che forse s’intravede non mostrerebbe comunque picchi attorno a inizio giugno o inizio dicembre, precisa Sartorelli: «ha un’altra variabilità». La conclusione, insomma, è netta: «Questo esclude alcuni dei modelli leptofilici, quelli d’interazione della materia oscura con gli elettroni». Insomma, per rendere conto di ciò che fa eccitare i suoi rivelatori, il team di DAMA/LIBRA dovrà probabilmente escogitare una nuova spiegazione: è così che la scienza va avanti.

«Dall’analisi dei dati di Xenon100, sappiamo ancora di più su ciò che la materia oscura non è, che è un’informazione molto importante nel campo della fisica delle particelle», dice Elena Aprile, della Columbia University, fondatrice e responsabile della collaborazione internazionale che ha dato vita all’esperimento. «Abbiamo escluso i modelli nei quali le interazioni tra la materia oscura e quella ordinaria erano più forti, e con il rilevatore Xenon1T [il successore di Xenon100, ndr] potremo testare i modelli nei quali si prevedono interazioni più deboli. Siamo in grado di catturare anche il più flebile indizio di materia oscura. Se questo è il posto giusto per cercare la firma della materia oscura, dovremmo poterla vedere».

Per saperne di più:

Ascolta l’intera intervista a Gabriella Sartorelli
Leggi su Science l’articolo “Exclusion of leptophilic dark matter models using XENON100 electronic recoil data”
Leggi su arXiv l’articolo “Search for Event Rate Modulation in XENON100 Electronic Recoil Data”, in pubblicazione su Physical Review Letters

Sourced through Scoop.it from: www.media.inaf.it

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