Materia oscura, due nuovi indizi ma nessuna scoperta confermata

La ricerca della materia oscura ha aggiunto due nuovi indizi, ottenuti con metodi molto diversi. Da una parte, SuperCDMS SNOLAB ha iniziato a raccogliere i primi dati scientifici con un rivelatore criogenico installato nel sottosuolo. Dall’altra, una rianalisi di 15,5 anni di osservazioni del telescopio spaziale Fermi-LAT ha individuato un eccesso stretto di raggi gamma vicino a 43,2 GeV in alcuni ammassi di galassie relativamente vicini.

La cautela, però, è d’obbligo: nessuno dei due risultati dimostra l’esistenza della materia oscura. SuperCDMS è ancora nella fase iniziale di raccolta dati, mentre il segnale gamma resta un’ipotesi da sottoporre a controlli indipendenti.

SuperCDMS SNOLAB: la caccia comincia nel sottosuolo

Perché il rivelatore è così profondo e freddo

SuperCDMS SNOLAB si trova a circa 2 chilometri di profondità presso SNOLAB, un laboratorio sotterraneo ricavato nella miniera Vale Creighton, vicino a Sudbury, in Ontario. La roccia sovrastante riduce il passaggio dei raggi cosmici e di altre radiazioni che potrebbero produrre segnali simili a quelli attesi da una particella di materia oscura. 81113

Anche la temperatura è fondamentale. I cristalli di silicio e germanio funzionano a circa 15 millikelvin, cioè pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. In queste condizioni il rumore termico viene ridotto al minimo, permettendo di cercare i minuscoli depositi di energia che una particella leggera di materia oscura potrebbe lasciare urtando un cristallo. 1215

Che cosa cerca l’esperimento

L’apparato comprende 24 rivelatori realizzati con due materiali bersaglio: germanio e silicio. I dispositivi sono disposti in torri e impiegano tecnologie complementari per misurare segnali di calore e di carica. L’obiettivo è combinare soglie energetiche molto basse e una migliore capacità di distinguere gli eventi reali dal fondo. 101114

Questa configurazione assegna a SuperCDMS un ruolo specifico nel panorama della ricerca. L’esperimento è pensato soprattutto per testare candidati relativamente leggeri, compresi quelli che possono essere difficili da studiare con apparati più grandi ottimizzati per intervalli di energia differenti. 69

La differenza tra fase iniziale e ricerca completa

L’avvio della raccolta dati arriva dopo circa sei mesi di messa a punto dell’impianto. La cosiddetta fase di “early science” non corrisponde ancora alla presa dati alla sensibilità massima: il team sta verificando il funzionamento dei rivelatori, studiando i fondi e perfezionando l’analisi. La ricerca su scala completa dovrebbe iniziare nel 2027. 12

I dati iniziali possono comunque produrre risultati utili, come nuovi limiti sui modelli di materia oscura o persino eventi candidati. Tuttavia, il potenziale più forte di SuperCDMS emergerà quando l’apparato sarà stato caratterizzato completamente e opererà alla sensibilità prevista.

Fermi-LAT: una possibile linea gamma a 43,2 GeV

Che cosa ha trovato la rianalisi

Uno studio separato ha esaminato 15,5 anni di dati pubblici del Large Area Telescope (LAT) a bordo del satellite Fermi, osservando 13 ammassi di galassie massicci e relativamente vicini. L’analisi segnala un eccesso simile a una linea spettrale vicino a 43,2 GeV. Il contributo più marcato proviene dagli ammassi della Vergine, della Fornace e di Ofiuco.

Il risultato è interessante perché alcuni modelli di materia oscura prevedono che l’annichilazione delle particelle possa produrre fotoni a un’energia caratteristica. In questa interpretazione, il segnale potrebbe essere compatibile con l’annichilazione di WIMP, particelle massive debolmente interagenti, una delle ipotesi più studiate per spiegare la materia oscura. Si tratterebbe però di un indizio di fisica delle particelle, non di una misura diretta della materia oscura.

Perché non è ancora una scoperta

Una significatività statistica elevata non equivale automaticamente a una conferma. Nell’analisi descritta, il risultato è indicato come pari a circa 4,3 sigma, al di sotto della soglia convenzionale di 5 sigma generalmente richiesta nella fisica delle particelle per parlare di scoperta. Una sintesi distinta di analisi collegate sulla linea a 43 GeV riporta inoltre una significatività post-trial di 3,7 sigma, dopo aver tenuto conto del cosiddetto effetto “look-elsewhere”: la penalizzazione statistica applicata quando si cercano segnali in molte energie e selezioni di dati.

Una caratteristica simile a una linea può inoltre avere origini diverse dalla materia oscura, per esempio:

• una modellizzazione non perfetta dei fondi astrofisici di raggi gamma;
• una fluttuazione statistica favorita dalla selezione delle energie o degli oggetti più promettenti;
• un effetto dello strumento, della calibrazione o della selezione degli eventi.

Anche precedenti analisi dei dati Fermi-LAT sugli ammassi avevano indicato una possibile struttura vicino a 43 GeV, senza però trovare una linea statisticamente significativa a livello globale. Per questo il nuovo risultato va considerato una pista da verificare, non la prova che i WIMP siano stati rilevati.

Due metodi complementari per lo stesso mistero

SuperCDMS e Fermi affrontano il problema da direzioni opposte:

• SuperCDMS è un esperimento di rivelazione diretta: cerca il deposito di energia lasciato da una particella di materia oscura in un cristallo freddo di germanio o silicio.
• L’analisi Fermi è una ricerca indiretta: cerca la radiazione che potrebbe essere prodotta dall’annichilazione di particelle di materia oscura in regioni dense dell’universo, come gli ammassi di galassie.

Un risultato positivo in uno dei due approcci dovrebbe comunque essere distinto dai fondi ordinari e confermato da ulteriori osservazioni. Una concordanza tra tecniche indipendenti sarebbe particolarmente convincente, ma i due risultati attuali non sono ancora a quel punto.

Che cosa succederà adesso

Per la ricerca sotterranea, il prossimo passaggio importante sarà il trasferimento dalla messa a punto e dalla fase scientifica iniziale alla presa dati a piena sensibilità prevista da SuperCDMS nel 2027. Una maggiore esposizione, insieme a una migliore caratterizzazione dei fondi, permetterà di sottoporre a un test più severo i modelli di materia oscura leggera. 26

Per il segnale gamma, la verifica decisiva sarà la ripetibilità. Nuove osservazioni, con maggiore sensibilità o una migliore risoluzione energetica, dovranno stabilire se la caratteristica vicino a 43 GeV ricompare negli stessi ammassi e se il suo comportamento è compatibile con le previsioni dei modelli di materia oscura. Strumenti indipendenti potrebbero inoltre aiutare a escludere effetti sistematici specifici di Fermi.

Il Nancy Grace Roman Space Telescope della NASA studierà il problema in un altro modo. Le sue ampie osservazioni nell’infrarosso e le misure di lente gravitazionale serviranno a ricostruire la distribuzione della materia oscura e il modo in cui essa modella le galassie visibili, invece di cercare direttamente i WIMP.

Nel complesso, questi programmi mostrano perché la materia oscura viene studiata attraverso strategie diverse: cercando possibili collisioni nei laboratori terrestri, individuando eventuali prodotti di annichilazione nello spazio e mappando gli effetti gravitazionali della materia invisibile sull’universo.

La conclusione più solida, per ora, è quindi semplice: la ricerca ha guadagnato due indizi preziosi, ma non una risposta definitiva.