Dark matter: oscura sì, ma non leptofilica

Su Science e Physical Review Letters i nuovi risultati ottenuti dalla collaborazione dell’esperimento Xenon100, in funzione ai Laboratori del Gran Sasso dell’INFN: mettono in discussione per la prima volta una varietà di modelli finora accreditati come possibili spiegazioni della materia oscura

L’esperimento Xenon100 nei laboratori del Gran Sasso. Crediti: INFN/LNGS
L’esperimento Xenon100 nei laboratori del Gran Sasso. Crediti: INFN/LNGS

materia oscura, il cerchio si stringe, titolavamo nel 2011 presentando nuovi risultati dell’esperimento Xenon100. Ebbene, a distanza di quattro anni la storia si ripete. Il protagonista è sempre lui, la Ferrari dei cacciatori di dark matter: 161 chili di xenon purissimo allo stato liquido, mantenuti a 90 gradi sotto zero all’interno d’un contenitore d’acciaio inox e protetti da uno scudo di roccia spesso 1400 metri nelle viscere del Gran Sasso. Ancora non ha visto alcuna traccia di materia oscura, ma con le sue ultime misure – riportate oggi su Science e su Physical Review Letters – il cerchio s’è stretto al punto da escludere dal perimetro dei modelli ammissibili anche un “vicino di casa”: l’ipotesi della cosiddetta “interazione leptofilica”, avanzata per spiegare i risultati dell’esperimento DAMA/LIBRA, che abita, appunto, a poche decine di metri di distanza dal domicilio di Xenon100 – ospiti entrambi dei Laboratori del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Ma andiamo con ordine. I teorici della dark matter ipotizzano l’esistenza d’un alone galattico – un alone di materia oscura – che, venendo solcato dalla Terra nel corso della sua rivoluzione annuale attorno al Sole, potrebbe dare origine, nei rivelatori di materia oscura, a una variazione stagionale. Segnale che i cristalli di ioduro di sodio dell’esperimento DAMA/LIBRA, in effetti, sembrano intercettare. Lo vedono andare su e giù a seconda, appunto, delle stagioni: una modulazione con massimi e minimi a inizio giugno e inizio dicembre. E lo vedono comportarsi così da 15 anni.

Se confermato, sarebbe uno straordinario indizio diretto di materia oscura. Ma c’è un problema: altri esperimenti, almeno sulla carta anche più sensibili, non lo vedono. Com’è possibile? Un’ipotesi intrigante avanzata dal team di DAMA/LIBRA è che la materia oscura sia leptofilica: ovvero, che le garbi di più interagire con gli elettroni (membri della famiglia dei leptoni) che non con i nuclei atomici. E che magari, essendo tecnologie e rivelatori in gioco assai differenti, quelli di DAMA/LIBRA reagiscano più di altri a interazioni con gli elettroni. Ed è proprio questa eventualità che Xenon100 è andato a mettere alla prova.

«Il nostro esperimento è disegnato ipotizzando che l’interazione con la materia oscura avvenga preferenzialmente con i nuclei», spiega a Media INAF Gabriella Sartorelli, dell’Università e Sezione INFN di Bologna e rappresentante del gruppo italiano di Xenon100, «ma poiché è capace anche di vedere l’interazione con gli elettroni, dopo esserci assicurati d’aver eliminato tutto il rumore di fondo possibile ci siamo detti: bene, adesso possiamo guardare anche queste interazioni, che si confondono più facilmente con il fondo. E siamo andati a vedere se la dark matter interagisce con gli elettroni».

Risultato? Nessun segnale significativo che suggerisca la presenza d’una modulazione stagionale. E anche quella debolissima traccia che forse s’intravede non mostrerebbe comunque picchi attorno a inizio giugno o inizio dicembre, precisa Sartorelli: «ha un’altra variabilità». La conclusione, insomma, è netta: «Questo esclude alcuni dei modelli leptofilici, quelli d’interazione della materia oscura con gli elettroni». Insomma, per rendere conto di ciò che fa eccitare i suoi rivelatori, il team di DAMA/LIBRA dovrà probabilmente escogitare una nuova spiegazione: è così che la scienza va avanti.

«Dall’analisi dei dati di Xenon100, sappiamo ancora di più su ciò che la materia oscura non è, che è un’informazione molto importante nel campo della fisica delle particelle», dice Elena Aprile, della Columbia University, fondatrice e responsabile della collaborazione internazionale che ha dato vita all’esperimento. «Abbiamo escluso i modelli nei quali le interazioni tra la materia oscura e quella ordinaria erano più forti, e con il rilevatore Xenon1T [il successore di Xenon100, ndr] potremo testare i modelli nei quali si prevedono interazioni più deboli. Siamo in grado di catturare anche il più flebile indizio di materia oscura. Se questo è il posto giusto per cercare la firma della materia oscura, dovremmo poterla vedere».

Per saperne di più:

Ascolta l’intera intervista a Gabriella Sartorelli
Leggi su Science l’articolo “Exclusion of leptophilic dark matter models using XENON100 electronic recoil data
Leggi su arXiv l’articolo “Search for Event Rate Modulation in XENON100 Electronic Recoil Data”, in pubblicazione su Physical Review Letters

 

Articolo originale QUI.

 

 

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13 Commenti    |    Aggiungi un Commento

  1. Red, ma questo vorrebbe dire che la materia oscura, mantenendo questa variazione stagionale, sarebbe trascinata dal Sole nel suo spostamento nella Galassia? Perlomeno questa è l'ipotesi dell'esperimento?

  2. @Gaetano M.: se ho capito bene, non è tanto il sole che "trascina" la materia oscura, ma che sommando la velocità di rivoluzione dell'intero sistema solare intorno al centro galattico (che è pressoché costante, e nello stretto arco di tempo delle misure approssimabile ad un moto rettilino uniforme) alla velocità di rivoluzione della Terra intorno al sole (che inverte direzione nell'arco di 6 mesi), si ottiene una variazione stagionale del moto della Terra rispetto al suddetto alone di materia oscura, e quindi la frequenza degli eventi misurati.
    Ma si tratta solo di mie supposizioni. Attendiamo le delucidazioni di @Red Hanuman in merito...

  3. Citazione Originariamente Scritto da Gaetano M. Visualizza Messaggio
    Red, ma questo vorrebbe dire che la materia oscura, mantenendo questa variazione stagionale, sarebbe trascinata dal Sole nel suo spostamento nella Galassia? Perlomeno questa è l'ipotesi dell'esperimento?
    No, assolutamente. Se l'alone di materia oscura esiste, deve essere solcato dalla Terra nel suo movimento, in direzioni opposte a seconda del periodo dell'anno. E questa differenza potrebbe essere percepita dai rilevatori di Xenon100. Il Sole, date le premesse, dovrebbe avere poca influenza sulla DM.

  4. Citazione Originariamente Scritto da Red Hanuman Visualizza Messaggio
    [...] in direzioni opposte a seconda del periodo dell'anno. [...]
    Boh, credo che il moto del Sole (e di tutto il sistema solare insieme a lui) non sia trascurabile. Infatti nell'articolo si parla di minimi e di massimi: ho effettuato una breve ricerca e, se le fonti che ho trovato sono attendibili, si parla di circa 100.000 km/h per la velocità di rotazione della terra, e di circa 900.000 km/h (o un po' meno) per la velocità del sistema solare intorno al centro galattico. Quindi quest'ultima componente rimane sempre comunque dominante, rispetto alla prima.

  5. Questo lavoro è molto valido. Per la prima volta mi pare di leggere i risultati di un esperimento che stia realmente e chiaramente vincolando per ciò che la DM non è.

    Ha detto bene il caro Red.
    Il punto non è la velocità del sistema solare (e dunque del Sole) nel moto intorno al centro galattico, che di per sè rappresenta un livello di fondo del moto e dunque del tasso di segnale che possiamo ricevere (praticamente costante nell'arco di una vita umana). Quello che permette l'esperimento in questo caso è unicamente la variazione relativa rispetto a questo livello di fondo, e cioè legata al moto di rivoluzione terrestre intorno al Sole, che produce una componente di moto che si inverte diametralmente nel semianno tra dicembre e giugno rispetto a quella del semianno tra giugno e dicembre. Ecco perchè i picchi di intensità sono rivelati a giugno e a dicembre, proprio quando la fase si inverte.

  6. @Red Hanuman, @Enrico Corsaro.

    Non nego assolutamente la validità e l'importanza di questi risultati, tutt'altro.

    Però, visto che è stata sollevata la questione, credo sia interessante approfondirla, perché credo che vi sfugga qualcosa.

    La componente di velocità del sistema solare intorno alla via lattea non è affatto ininfluente, anzi, è determinante per determinare questa variazione stagionale, e cercherò di spiegarne il motivo.

    Si presuppone innanzitutto che le WIMP abbiano un moto "caotico", e per tanto l'alone di materia oscura sia mediamente "fermo", e la galassia "ruoti" al suo interno. (Questo non lo dico io, mi sembra sia comunemente dato per assodato)

    Ora, a meno che lo Xeneon100, oltre a energia e frequenza non rilevi anche la direzionalità delle interazioni (cosa di cui dubito), per rilevare delle variazioni stagionali, è necessario che la velocità della Terra relativa all'alone vari non solo in direzione ma anche in modulo, e questo può avvenire solo se esiste una velocità relativa tra il centro dell'orbita terrestre (il sole) e il suddetto alone.

    Un po' come avviene in automobile durante la pioggia: la frequenza con cui le gocce battono sul vetro aumenta se accelero e diminuisce se decelero, ma se mi metto a girare in una rotonda, non mi accorgerò di alcuna variazione tra un lato e l'altro della stessa.

  7. @bertupg, mi sembra strano che affermi che ci sfugga qualcosa, dal momento che per ciò che hai scritto mi pare di capire che la pensi proprio allo stesso modo.

    Certamente non viene rilevata la direzionalità delle particelle, ma la direzionalità del moto è proprio ciò che conta sul tasso di impatto. Facciamo alcune considerazioni.

    Come prima cosa un aspetto fondamentale: il moto del sistema solare intorno al centro della galassia, anche se avviene ad una velocità sostenuta, cambia praticamente di nulla la posizione della terra intorno alla galassia nell'arco di un anno solare (i tempi scala dei due moti sono completamente diversi). Questo significa in parole povere che la componente di moto intorno al centro della galassia ci fornisce nell'arco di un anno solare una direzione unica, rettilinea (tangente) all'orbita descritta dal sistema solare nel suo moto intorno al centro galattico. Per capirlo, basta immaginare che di base ti stai muovendo in una sola direzione e seguendo il tuo esempio della pioggia, supponendo di essere in macchina e che ci muoviamo perfettamente diritti, la pioggia ci impatta frontalmente sul parabrezza con un certo tasso, che dipenderà dalla velocità del moto che abbiamo e dalla quantità di pioggia che cade per unità di superficie. Se la Terra fosse ferma accanto al Sole, seguendone solo il moto intorno alla galassia, vedremo questo tasso completamente invariato nell'arco di un anno, quindi costante. Se invece anche il Sole stesso fosse stato fermo dentro la galassia, avremmo avuto un tasso mediamente nullo, poichè non vi sarebbe stata alcuna componente di moto, qualsiasi direzione fosse.

    Adesso a questo moto di base, che abbiamo assunto rettilineo e uniforme, somma il moto di rotazione che ha la Terra intorno al Sole. In alcuni periodi dell'anno (ed esattamente in due soli momenti, dato che l'orbita è circolare), la componente del moto terrestre avrà una direzione identica a quella del moto rettilineo del sistema solare. Se il verso sarà uguale, i moduli delle velocità si sommano e osserviamo un massimo di tasso di impatto, se i versi sono opposti invece avrai la differenza dei moduli, e il tasso di impatto diventa minimo (ed ecco i massimi e minimi a giugno e dicembre rispettivamente, citati nell'articolo). In tutte le vie di mezzo avrai un tasso che varia tra il massimo e il minimo citati, perchè cambia la componente del moto terrestre lungo quella del moto del Sole. Dunque la direzionalità conta davvero, ma non la direzionalità delle particelle, che non rileviamo e che possiamo assumere mediamente nulla dato il loro moto caotico presunto come hai ben detto, ma quella del vettore velocità della Terra intorno al Sole.
    Spero il concetto sia chiaro adesso .