Un esperimento potrebbe aver individuato la materia oscura: un segnale captato da LZ a 1,6km sotto terra

Uno dei più avanzati esperimenti di fisica al mondo per la ricerca diretta della materia oscura potrebbe aver individuato il primo segnale della sua esistenza: si tratta di un evento anomalo registrato tramite il rivelatore dell'esperimento LUX-ZEPLIN (conosciuto brevemente come LZ). L'annuncio del risultato che sta facendo discutere la comunità dei fisici delle particelle è stato fatto il 1° settembre 2026, alla conferenza TeVPA (TeV Particle Astrophysics) in Giappone.

Si tratta di un'energetica collisione tra una particella sconosciuta e il nucleo di un atomo del gas di xeno contenuto nel rivelatore, misurata attraverso un lampo di luce e una scarica elettrica captati dagli strumenti dell’esperimento.

L'evento risale in realtà al 16 giugno 2023, ma è emerso solo ora da una nuova analisi dei dati raccolti tra marzo 2023 e aprile 2024. Il sospetto, tutto da confermare, è di aver intercettato per la prima volta un WIMP (Weakly Interacting Massive Particles, in italiano Particelle massicce debolmente interagenti), una delle particelle ipotizzate dalla fisica teorica e candidate a costituire la materia oscura.

Il risultato se confermato potrebbe fare luce su un enigma che la fisica insegue da oltre quarant'anni. La materia oscura infatti costituisce circa l'85% della materia dell'universo ma finora nessuno è mai riuscito a capire quale sia la sua natura o ad osservarla direttamente.

Come funziona l'esperimento LZ che cerca la materia oscura e perché si trova in una miniera

Il nome LZ nasce dalla fusione di due esperimenti precedenti, LUX (Large Underground Xenon) e ZEPLIN (ZonEd Proportional scintillation in LIquid Noble gases), ed è stato selezionato dal Dipartimento dell'Energia statunitense come uno dei tre esperimenti di seconda generazione nella caccia alla materia oscura, progettato per essere fino a 50 volte più sensibile dei suoi predecessori.

La struttura principale del rivelatore si trova a circa 1,6 chilometri di profondità, in un'ex miniera d'oro non più operativa nelle Black Hills del South Dakota, oggi riconvertita nel Sanford Underground Research Facility. Uno spesso strato di roccia scherma naturalmente il rivelatore dai raggi cosmici e da gran parte della radiazione di fondo che altrimenti disturberebbe le misurazioni.

La parte principale del rivelatore consiste in un grande serbatoio riempito con circa 10 tonnellate di xeno puro mantenuto allo stato liquido e a temperature bassissime. Lo xeno è stato scelto perché, essendo un elemento molto denso, permette di concentrare un numero enorme di atomi in poco spazio. Più atomi ci sono e più sono addensati, maggiore è la probabilità statistica che una rarissima particella di materia oscura urti contro un nucleo.

Quando avviene una interazione tra il WIMP e lo xeno, l'atomo colpito emette sia un lampo di luce (nella lunghezza d’onda dell’ultravioletto) sia elettroni che generano una scarica elettrica in sottili fili immersi nel liquido all’interno del serbatoio. Il confronto tra questi due segnali aiuta i fisici a distinguere una collisione autentica da un falso allarme.

L'intero apparato è progettato per essere il più silenzioso possibile, cioè isolato da possibili particelle o radiazione che possano inquinare le osservazioni del WIMP vero e proprio. Persino i materiali con cui è costruito il rivelatore sono stati selezionati con estrema cura per contenere tracce minime di radioattività naturale che altrimenti genererebbero falsi segnali indistinguibili da un possibile urto di una particella WIMP.

Cosa ha visto il rilevatore: un evento anomalo sotto terra

Il 16 giugno 2023 gli strumenti di LZ hanno registrato un evento di interazione dentro la camera di xeno con un'energia decisamente più alta di quella tipicamente attesa per i WIMP che gli scienziati si sarebbero aspettati di trovare.

È proprio questa energia elevata ad avere reso l'evento sorprendente. Se fosse un WIMP con energia più bassa i ricercatori si sarebbero aspettati di osservarne prima decine o centinaia di collisioni più deboli, cosa che non è successa.

L'analisi stima che la probabilità che si tratti di un semplice caso statistico sia intorno allo 0,5%, corrispondente a quello che i fisici, in gergo tradizionale, chiamano una significatività di circa 2,6-3,4 sigma (a seconda del modello teorico considerato). Per dichiarare una scoperta ufficiale, però, la fisica delle particelle richiede una soglia di 5 sigma, cioè una probabilità di errore inferiore allo 0,00003%.

Siamo quindi ancora lontani dalla certezza. L'analisi attuale però è stata fatta su un totale di 220 giorni di dati, solo una frazione del programma completo di osservazione. Il team di scienziati ha ancora altri 700 giorni di dati raccolti da esaminare che permetteranno presto di capire se si tratta di un caso isolato o se altri eventi simili confermeranno il segnale.

Cosa sono esattamente i WIMP, le particelle ipotetiche candidate a materia oscura

In cosmologia la materia oscura è descritta come una componente ipotetica dell'universo che, a differenza della materia ordinaria, non emette né assorbe luce o altre radiazioni elettromagnetiche, e per questo risulta del tutto invisibile a telescopi e strumenti attuali.

La sua esistenza non è stata finora osservata direttamente ma è stata dedotta dagli effetti gravitazionali che esercita per esempio sulla velocità di rotazione delle galassie o sulla deformazione della luce proveniente da oggetti più lontani (lente gravitazionale).

Secondo i modelli cosmologici attuali, la materia oscura non è distribuita uniformemente, ma è concentrata in enormi aloni (non visibili) che avvolgono le galassie e, a più grandi scale, si estende lungo i filamenti che collegano tra lorogli ammassi e i superammassi di galassie, le strutture più grandi finora conosciute dell'universo.

I WIMP rappresentano una delle ipotesi più accreditate che i fisici stanno considerando per spiegarne la natura. Sono stati definiti dai fisici come particelle ipotetiche che quasi sempre attraversano la materia ordinaria senza interagire, ma che in rare occasioni possono urtare contro un nucleo atomico. Sono inoltre elettricamente neutri e non emettono né assorbono luce, il che li rende del tutto invisibili ai telescopi tradizionali e osservabili solo attraverso urti diretti come quello cercato da LZ.

La loro esistenza è stata teorizzata calcolando quanta materia oscura sarebbe sopravvissuta dopo le fasi iniziali del Big Bang. Assumendo che sia composta da particelle con massa dello stesso ordine di grandezza di quella di un protone e capaci di interagire tramite la forza nucleare debole (cioè quella che gli permette di fare reazione con i nuclei degli atomi), i fisici teorici hanno ottenuto un valore che combacia sorprendentemente con la quantità di materia oscura osservata oggi nell'universo.

Questa coincidenza ha reso questa ipotetica particella il candidato di materia oscura favorito per oltre 40 anni. Se un WIMP venisse davvero confermato si risponderebbe a una delle domande aperte più importanti dell’astrofisica odierna, ovvero di cosa è fatto l'85% della materia dell'universo.

Altri esperimenti che cercano la materia oscura 

LZ non è l’unico esperimento in corso per rilevare i WIMP. All’interno dei laboratori dell'INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) scavati all'interno del Gran Sasso in Abruzzo l'esperimento XENONnT adotta un approccio praticamente identico, con una grande camera riempita di xeno liquido.

In Cina nel laboratorio sotterraneo di Jinping l'esperimento PandaX-4T utilizza ugualmente la tecnologia a xeno liquido per cercare gli stessi segnali e i suoi dati saranno fondamentali per confermare o smentire l'osservazione di LZ.

Altri progetti, come SuperCDMS in Canada, puntano invece su cristalli di germanio e silicio raffreddati quasi allo zero assoluto, una tecnologia diversa pensata per intercettare particelle di massa più piccola.

Questi esperimenti formano insieme una rete di controllo incrociato. Se il segnale di LZ è reale dovrebbe comparire nello stesso modo in più rivelatori. Nei prossimi anni il confronto tra tutti questi progetti sarà decisivo per stabilire se l'anomalia osservata da LZ sia davvero il primo indizio concreto sulla natura della materia oscura oppure solo una fluttuazione statistica.

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