Scienziati della collaborazione internazionale XENON, un gruppo sperimentale internazionale che comprende il Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU), Università di Tokyo; l'Istituto per la ricerca sui raggi cosmici (ICRR), Università di Tokyo; l'Istituto per la Ricerca Ambientale Spazio-Terra (ISEE), Università di Nagoya; l'Istituto Kobayashi-Maskawa per l'origine delle particelle e dell'universo (KMI), Università di Nagoya; e la Scuola di Dottorato in Scienze, Università di Kobe, ha annunciato oggi che i dati del loro XENON1T, l'esperimento sulla materia oscura più sensibile al mondo, mostrano un sorprendente eccesso di eventi. Gli scienziati non affermano di aver trovato la materia oscura. Anziché, hanno osservato un tasso di eventi inaspettato, la cui fonte non è ancora del tutto compresa. La firma dell'eccesso è simile a quella che potrebbe risultare da una minuscola quantità residua di trizio (un atomo di idrogeno con un protone e due neutroni), ma potrebbe anche essere un segno di qualcosa di più eccitante, come l'esistenza di una nuova particella nota come assione solare o l'indicazione di proprietà precedentemente sconosciute dei neutrini.

XENON1T è stato operato in profondità presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN in Italia, dal 2016 al 2018. È stato progettato principalmente per rilevare la materia oscura, che costituisce l'85% della materia dell'universo. Finora, gli scienziati hanno osservato solo prove indirette di materia oscura, e un definitivo, il rilevamento diretto deve ancora essere effettuato. Le cosiddette WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) sono tra i candidati teoricamente preferiti, e XENON1T ha finora fissato il miglior limite alla loro probabilità di interazione su un'ampia gamma di masse WIMP. Oltre alla materia oscura WIMP, XENON1T era anche sensibile a diversi tipi di nuove particelle e interazioni che potrebbero spiegare altre questioni aperte in fisica. L'anno scorso, utilizzando lo stesso rilevatore, questi scienziati hanno pubblicato in Natura l'osservazione del più raro decadimento nucleare mai misurato direttamente.

Il rivelatore XENON1T è stato riempito con 3,2 tonnellate di xenon liquefatto ultrapuro, 2,0 t delle quali sono servite come bersaglio per le interazioni tra particelle. Quando una particella attraversa il bersaglio, può generare minuscoli segnali di luce ed elettroni liberi da un atomo di xeno. La maggior parte di queste interazioni avviene da particelle di cui si sa l'esistenza. Gli scienziati hanno quindi stimato con attenzione il numero di eventi di fondo in XENON1T. Quando i dati di XENON1T sono stati confrontati con sfondi noti, è stato osservato un sorprendente eccesso di 53 eventi rispetto ai 232 eventi previsti.

Ciò solleva l'eccitante domanda:da dove viene questo eccesso?

Una spiegazione potrebbe essere una nuova, fonte di fondo precedentemente non considerata, causato dalla presenza di piccole quantità di trizio nel rivelatore XENON1T. trizio, un isotopo radioattivo dell'idrogeno, decade spontaneamente emettendo un elettrone con un'energia simile a quella osservata. Solo pochi atomi di trizio per ogni 10 ²⁵ (10, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000!) sarebbero necessari atomi di xeno per spiegare l'eccesso. Attualmente, non esistono misurazioni indipendenti che possano confermare o smentire la presenza di trizio a quel livello nel rivelatore, quindi una risposta definitiva a questa spiegazione non è ancora possibile.

Più eccitante, un'altra spiegazione potrebbe essere l'esistenza di una nuova particella. Infatti, l'eccesso osservato ha uno spettro energetico simile a quello atteso dagli assioni prodotti nel Sole. Gli assioni sono particelle ipotetiche che sono state proposte per preservare una simmetria di inversione temporale della forza nucleare, e il Sole potrebbe esserne una forte fonte. Sebbene questi assioni solari non siano candidati alla materia oscura, il loro rilevamento segnerebbe la prima osservazione di una classe di nuove particelle ben motivata ma mai osservata, con un grande impatto sulla nostra comprensione della fisica fondamentale, ma anche sui fenomeni astrofisici. Inoltre, gli assioni prodotti nell'universo primordiale potrebbero anche essere la fonte della materia oscura.

In alternativa, l'eccesso potrebbe essere dovuto anche ai neutrini, di cui trilioni passano attraverso il tuo corpo, senza ostacoli, ogni secondo. Una spiegazione potrebbe essere che il momento magnetico (una proprietà di tutte le particelle) dei neutrini è maggiore del suo valore nel Modello Standard delle particelle elementari. Questo sarebbe un forte indizio per qualche altra nuova fisica necessaria per spiegarlo.

Delle tre spiegazioni considerate dalla collaborazione XENON, l'eccesso osservato è più coerente con un segnale di assione solare. In termini statistici, l'ipotesi dell'assone solare ha un significato di 3.5 sigma, il che significa che c'è circa un 2/10, 000 possibilità che l'eccesso osservato sia dovuto a una fluttuazione casuale piuttosto che a un segnale. Sebbene questo significato sia abbastanza alto, non è abbastanza grande per concludere che esistono gli assioni. Il significato di entrambe le ipotesi del momento magnetico del trizio e del neutrino corrisponde a 3.2 sigma, il che significa che sono anche coerenti con i dati.

XENON1T si sta ora aggiornando alla sua fase successiva, XENONnT, con una massa di xeno attiva tre volte più grande e uno sfondo che dovrebbe essere inferiore a quello di XENON1T. Con dati migliori da XENONnT, la collaborazione XENON è fiduciosa che presto scoprirà se questo eccesso è un mero colpo di fortuna statistico, un contaminante di fondo, o qualcosa di molto più eccitante:una nuova particella o interazione che va oltre la fisica conosciuta.