Materia oscura, c'è un primo indizio? Il segnale rilevato da LZ e la caccia alle conferme tra South Dakota e Abruzzo

Viviamo in un universo composto per circa l'85% di una massa sconosciuta chiamata Materia Oscura. Nel cielo che osserviamo ogni notte, tutto fa pensare che, oltre alle stelle, alle galassie, alle polveri e ai buchi neri, debba esistere qualcosa che la fisica non riesce ancora a spiegare e, ancora meno, a vedere.

La cosa più sorprendente è che la caccia alla materia oscura non si combatte nei telescopi o sui satelliti, ma ad oltre un chilometro di profondità sotto la crosta terrestre.

La caccia alla materia oscura tra LZ e XENONnT

Per riuscirci, la fisica moderna sfrutta il principio dell'urto elastico nucleare: l'obiettivo non è vedere la particella invisibile, che non interagisce con il campo elettromagnetico (o con la luce) quindi impossibile da osservare con strumenti convenzionali, ma si cerca di misurare il movimento di un nucleo atomico nel momento in cui viene colpito frontalmente da una ipotetica WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, una particella di Materia Oscura), come una biglia invisibile che urta una boccia pesante.

Va detto che la ricerca ipotizza l'esistenza di una WIMP, che quindi non essendo in grado di interagire attraverso l'elettromagnetismo, potrebbe farlo solo attraverso la propria propria "forza nucleare debole", oltre alla gravità.

Questa è una forza talmente debole da avere un raggio d'azione subatomico infinitesimo. Quindi una WIMP, non in grado di interagire con la parte esterna di un atomo, gli elettroni, occasionalmente potrebbe sfiorare il suo nucleo, potendo interagire con esso, proprio attraverso la reciproca forza nucleare debole.

Il cuore compatto e l'edificio a matrioska

Due giganti guidano questa caccia a oltre un chilometro di profondità: l'esperimento statunitense LUX-ZEPLIN (LZ), nella miniera di Homestake in South Dakota, e l'europeo XENONnT, nei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell'INFN in Italia.

I due esperimenti condividono lo stesso principio costruttivo e la stessa tecnologia, che basa il suo funzionamento sulla camera a proiezione temporale detta TPC, a Xeno liquido a doppia fase. C'è un grande cilindro criogenico riempito di xeno liquido, mantenuto a circa -95°C e sormontato da un sottile strato di xeno gassoso.

Il bersaglio attivo, quindi è un cilindro compatto pieno di Xeno liquido di appena 1,5 metri di altezza e 1,5 metri di diametro, racchiuso in un criostato alto poco più di 2,5 metri tenuto a -95°C. Tuttavia, per isolare questo piccolo volume dalle radiazioni ambientali, l'infrastruttura complessiva assume le proporzioni di un edificio industriale di 3 piani alto oltre 10 metri, dominato da un colossale serbatoio d'acqua da centinaia di tonnellate e torri criogeniche.

Il metodo di rivelazione: come si "vede" l'invisibile

Quando un'ipotetica particella di materia oscura colpisce il nucleo di un atomo di xeno, il nucleo dovrebbe spostarsi violentemente all'interno del liquido.

Questo scossone dovrebbe essere in grado di scalzare gli elettroni degli atomi vicini, eccitandone la struttura e producendo simultaneamente due tracce misurabili. La prima traccia, denominata S1, è un lampo istantaneo di luce ultravioletta captato da centinaia di fotomoltiplicatori.

La seconda traccia, S2, è costituita dagli elettroni che verrebbero liberati per ionizzazione e trascinati verso l'alto, per oltre un metro, da un campo elettrico verticale continuo. Qui gli elettroni, uscendo dallo xneno liquido, incontrerebbero la fase gassosa, generando un secondo bagliore proporzionale.

Questo permette una precisa ricostruzione tridimensionale, utile ad escludere eventuali interferenze dovute alla radioattività spuria delle stesse pareti metalliche del contenitore.

L'anomalia del primo settembre: un indizio reale o un miraggio?

Il 1° settembre 2016, alla conferenza internazionale TeVPA, è stata presentato il risultato dell'ultimo esperimento LZ. Tra i dati è emerso un singolo evento anomalo ad altissima energia, che ha superato tutti i controlli tecnici ed è pienamente compatibile con l'eventuale impatto di un WIMP pesante, con oltre 200 volte la massa del protone.

Tuttavia, bisogna essere molto prudenti, infatti, con una significanza di 2,6 σ, resta ancora una probabilità dello 0,5% che possa trattarsi di una rara fluttuazione casuale di fondo dovuta a contaminazioni o ad interazioni con neutroni, neutrini o altro ancora.

Ora i due team rivali si sono, da poco, formalmente uniti nel consorzio globale XLZD, con il progetto di un unico rivelatore planetario da 60 tonnellate, per catturare finalmente la particella che domina l'architettura del cosmo.

Fonti e informazioni:

LZ Collaboration alla conferenza TeVPA 2026; Berkeley Lab e SLAC National Accelerator Laboratory; Analisi teorica del modello Lambda-CDM e struttura a grande scala dell'Universo: Planck/ESA; Riscontro scientifico dell'INFN - Laboratori Nazionali del Gran Sasso.