Un evento anomalo nel rivelatore LZ riaccende la ricerca della materia oscura

L'esperimento LUX-ZEPLIN (LZ) ha registrato un singolo evento insolito compatibile con un rinculo di un nucleo di xeno ad alta energia. È un risultato degno di attenzione, ma non è la scoperta della materia oscura: con un solo evento e una significatività globale di 2,6σ, il dato resta compatibile sia con una fluttuazione statistica sia con un fondo raro non ancora incluso nel modello. 12

Che cosa ha visto LZ

LZ si trova quasi un miglio sottoterra, nella Sanford Underground Research Facility del Sud Dakota, ed è progettato per schermare il più possibile i segnali prodotti dalla radiazione ordinaria. Nell'analisi di 220 giorni di presa dati, fra marzo 2023 e aprile 2024, la collaborazione ha esteso la finestra di ricerca dei rinculi nucleari fino a circa 270 keV. L'obiettivo era cercare interazioni WIMP non standard — per esempio modelli con interazioni efficaci o scattering anelastico — che possono produrre rinculi più energetici rispetto alle ricerche convenzionali. 12

L'analisi, basata su un'esposizione di 2,84 tonnellate-anno, ha individuato un evento coerente con un rinculo nucleare nello xeno di circa 248 keV, in una regione dove il fondo convenzionale previsto è basso. 24

La significatività globale del risultato è 2,6σ, dopo aver considerato il cosiddetto look-elsewhere effect: in altre parole, il fatto che testare molti possibili modelli e regioni energetiche aumenta la probabilità di trovare casualmente qualcosa di insolito. Nel quadro dei fondi noti, ciò corrisponde a una probabilità di circa 0,5%; il maggiore eccesso locale fra i modelli provati raggiunge invece 3,4σ. 25

Perché il segnale è interessante, ma non basta

In fisica delle particelle, la convenzione per annunciare una scoperta è una significatività di 5σ. Non è una soglia burocratica: serve a ridurre drasticamente il rischio che un'apparente anomalia sia soltanto il prodotto del caso, di una stima imperfetta del fondo o di un effetto strumentale raro.

Un solo evento non permette di verificare se esista una popolazione di segnali con energia, posizione nel rivelatore e andamento statistico coerenti con una nuova particella. Per questo LZ presenta l'osservazione come un risultato da sottoporre a controlli, non come prova dell'esistenza della materia oscura. 12

L'ipotesi di un WIMP pesante — e l'alternativa più prudente

Se l'evento fosse dovuto a uno scattering WIMP convenzionale, indicherebbe una particella relativamente pesante: almeno circa 200 GeV/c². Implicherebbe inoltre un'interazione più complessa del modello WIMP più semplice, quello di scattering spin-indipendente. 1

Resta però un'ipotesi alternativa fondamentale: un raro tipo di fondo che non è stato ancora descritto adeguatamente dal modello. La collaborazione ha esaminato diverse possibili spiegazioni di questo genere e sottolinea che, storicamente, molti eventi anomali hanno poi trovato un'origine ordinaria. 12

Come LZ potrà mettere alla prova il risultato

LZ continua ad accumulare dati con l'obiettivo di arrivare a 1.000 giorni effettivi di osservazione e possiede già un campione di dati più ampio di quello usato in questa analisi. Se l'evento fosse il primo segnale di WIMP, dovrebbero emergere ulteriori eventi con una distribuzione energetica e spaziale compatibile; se invece fosse una fluttuazione o un fondo trascurato, il segnale non dovrebbe confermarsi nello stesso modo. 12

Nel medio periodo, il progetto XLZD, previsto per la metà degli anni 2030, dovrebbe usare una massa di xeno approssimativamente dieci volte maggiore di quella degli attuali rivelatori. Un'esposizione più grande e una migliore capacità di distinguere i fondi permetterebbero di verificare con molta più decisione un'eventuale popolazione di WIMP pesanti, oppure di escluderla fino a sezioni d'urto molto più piccole. XLZD punta anche a misure di precisione dei neutrini solari a bassa energia. 12

Il risultato distinto di XENONnT al Gran Sasso

La cautela necessaria per l'evento LZ contrasta con un altro risultato, separato e molto più solido: XENONnT, ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN, ha osservato con significatività di 5σ neutrini solari a bassa energia attraverso il loro scattering elastico sugli elettroni. Il segnale è dominato dai neutrini prodotti nella catena protone-protone (pp), le reazioni di fusione che alimentano il Sole, e raggiunge una soglia in energia del neutrino di circa 17 keV, la più bassa riportata per una rivelazione diretta di neutrini. 9

Nel 2024, XENONnT aveva già ottenuto la prima indicazione/misura dei neutrini solari del boro-8 tramite scattering elastico coerente neutrino-nucleo, noto come CEνNS. In questo caso il neutrino urta un nucleo di xeno e produce un rinculo nucleare: un tipo di segnale molto simile a quello che gli esperimenti cercano quando danno la caccia ai WIMP. 3711

Nel loro insieme, LZ e XENONnT mostrano come le camere a proiezione temporale riempite di xeno e caratterizzate da fondi estremamente bassi stiano diventando veri osservatori di eventi rari. Cercano WIMP, misurano i flussi di neutrini solari sia attraverso rinculi elettronici sia nucleari, testano la fisica delle interazioni dei neutrini e affinano il controllo dei fondi necessario per gli esperimenti futuri, sempre più vicini alla cosiddetta «nebbia dei neutrini». 179