XENONnT apre una nuova finestra sui neutrini del Sole

Il rivelatore XENONnT è nato per cercare le WIMP, particelle ipotetiche che potrebbero costituire la materia oscura. Ma la sensibilità necessaria per individuare interazioni rarissime lo ha trasformato anche in un osservatorio per i neutrini del Sole.

Durante un seminario ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, la collaborazione XENON ha annunciato la prima osservazione di neutrini solari a bassa energia che diffondono sugli elettroni. Il risultato porta l’osservazione diretta dei neutrini fino a energie di circa 17 keV, la soglia più bassa finora riportata per questo tipo di misura. Il segnale osservato è dominato dai neutrini pp. 22

Un neutrino lascia una traccia minuscola

I neutrini interagiscono solo molto raramente con la materia. Quando uno di quelli provenienti dal Sole urta elasticamente un elettrone nello xenon liquido, trasferisce una piccola quantità di energia all’elettrone, producendo una rincorsa elettronica.

Nel rivelatore questa interazione genera due segnali distinti:

• un lampo immediato di scintillazione nello xenon liquido;
• un secondo segnale di elettroluminescenza, prodotto quando gli elettroni liberati vengono estratti verso la fase gassosa.

Il confronto tra i due segnali consente di ricostruire l’energia dell’evento e la sua posizione tridimensionale. Gli scienziati, però, non cercano il singolo «colpo» di un neutrino: analizzano il profilo statistico di molti eventi e lo confrontano con i fondi radioattivi e strumentali attesi.

È importante chiarire che il valore di circa 17 keV indica l’energia dei neutrini resa accessibile dalla misura, non l’energia trasferita integralmente a ogni elettrone. L’analisi descritta dalla collaborazione riguarda un’osservazione di neutrini solari a bassa energia, con un segnale dominato dalla componente pp. 22

Che cosa sono i neutrini pp

I neutrini pp vengono prodotti nella prima reazione della catena di fusione protone-protone che alimenta il Sole:

[
p+p\rightarrow d+e^++\nu_e
]

In questo processo due protoni formano un nucleo di deuterio, un positrone e un neutrino elettronico. È il primo passaggio della sequenza che converte gradualmente l’idrogeno in elio.

Poiché la catena pp è la principale fonte dell’energia solare, i suoi neutrini sono messaggeri diretti delle reazioni che avvengono nel nucleo della stella. La luce impiega molto tempo per raggiungere la superficie dopo essere stata generata nelle regioni interne; i neutrini, invece, attraversano quasi senza ostacoli il materiale solare e lasciano il nucleo praticamente subito.

Misurare la componente pp significa quindi osservare in modo più diretto la fusione che mantiene acceso il Sole, invece di dedurla soltanto dalla radiazione che arriva dalla sua superficie.

Perché XENONnT è riuscito a vedere un segnale così debole

Al centro di XENONnT si trova una camera a proiezione temporale a due fasi, con un bersaglio attivo di 5,9 tonnellate di xenon liquido. Una massa così grande aumenta la probabilità di catturare interazioni rare, mentre la misura combinata di scintillazione e ionizzazione permette di determinare energia e posizione degli eventi. 5

Il problema principale, tuttavia, non è soltanto la scarsità dei neutrini: è il fondo. Il radon e i suoi prodotti di decadimento possono generare rinculi elettronici simili a quelli prodotti dalla diffusione neutrino-elettrone.

Per ridurlo, la collaborazione ha installato un sistema di distillazione criogenica online, capace di rimuovere continuamente il radon dallo xenon. La concentrazione di attività del (^{222}\mathrm{Rn}) nel bersaglio attivo è scesa a circa (0,90\ \mu\mathrm{Bq/kg}), un livello al quale il fondo da radon diventa confrontabile con il fondo inevitabile dei neutrini solari. 1819

La posizione del laboratorio, in profondità sotto il massiccio del Gran Sasso, riduce inoltre gli eventi prodotti dai raggi cosmici. In questo ambiente a bassissimo fondo, il segnale può essere estratto adattando statisticamente lo spettro energetico degli eventi, invece di essere sommerso da un numero molto maggiore di interazioni spurie. 22

Il legame con il risultato del 2024 sui neutrini da boro-8

La nuova misura utilizza un canale diverso da quello annunciato da XENONnT nel 2024. In quel caso la collaborazione aveva cercato neutrini solari da (^{8}\mathrm{B}) attraverso la diffusione coerente elastica neutrino-nucleo, indicata con l’acronimo CEνNS. Il neutrino interagisce con il nucleo di un atomo di xenon e produce un rinculo nucleare.

L’analisi aveva fornito un’indicazione con significatività di 2,73σ, non una scoperta al livello di 5σ. 23

La misura presentata ora si basa invece sulla diffusione neutrino-elettrone. Lo stesso rivelatore può così riconoscere due firme diverse dei neutrini solari:

• rinculi elettronici, prodotti dalle interazioni con gli elettroni e particolarmente utili per studiare i neutrini pp a bassa energia;
• rinculi nucleari, prodotti dalla CEνNS, come nel caso dell’indicazione sui neutrini da boro-8.

Questa distinzione amplia il quadro: canali diversi permettono di esplorare porzioni diverse dello spettro energetico solare e fenomeni fisici differenti.

La «nebbia dei neutrini» per la ricerca della materia oscura

Per gli esperimenti che cercano la materia oscura, i neutrini solari sono allo stesso tempo un segnale scientifico prezioso e un fondo difficile da eliminare. Le loro interazioni possono infatti imitare quelle attese dalle WIMP. Inoltre, non possono essere bloccate con una schermatura convenzionale: i neutrini attraversano la materia quasi indisturbati.

Questo fondo inevitabile viene spesso chiamato «nebbia dei neutrini». Non si tratta di un limite assoluto e invalicabile. La forma dello spettro, il confronto tra diversi materiali bersaglio, la direzionalità degli eventi e una conoscenza più precisa dei flussi solari possono aiutare a distinguere statisticamente un segnale di materia oscura.

Tuttavia, con l’aumento della sensibilità, i miglioramenti diventano più difficili e le incertezze sistematiche assumono un peso crescente. L’indicazione del 2024 sulla CEνNS dei neutrini da boro-8 ha fornito uno dei primi esempi diretti di questo fondo nucleare in un rivelatore progettato per la materia oscura. 12

XLZD: il prossimo salto di scala

Il progetto XLZD mira a realizzare un osservatorio di nuova generazione basato sullo xenon liquido. Il progetto prevede un bersaglio attivo di circa 60 tonnellate, espandibile fino a 80: una quantità di xenon attivo all’incirca dieci volte superiore a quella di XENONnT. 3235

Una massa maggiore non significherà soltanto più eventi. L’esposizione aggiuntiva potrebbe permettere di misurare con maggiore precisione il flusso e lo spettro dei neutrini pp e di studiare la probabilità che i neutrini elettronici sopravvivano durante il viaggio dal Sole alla Terra.

Allo stesso tempo, XLZD è progettato per spingersi nella regione in cui le interazioni delle WIMP si avvicinano al fondo della «nebbia dei neutrini». 3239

Il risultato di XENONnT mostra quindi che la ricerca della materia oscura e l’astronomia dei neutrini solari non sono più attività separate. La purezza estrema dello xenon, il rumore ridotto e la tecnologia necessaria per catturare eventi rarissimi possono rivelare sia le particelle elusive associate alla materia oscura sia le tracce quasi invisibili della fusione nel cuore del Sole.