Nel profondo delle viscere del Sud Dakota, a quasi due chilometri sotto la superficie terrestre, si sta svolgendo una delle cacce scientifiche più ambiziose della storia moderna. Il rivelatore LUX-ZEPLIN, nascosto all'interno del Sanford Underground Research Facility, ha appena completato un'analisi di 280 giorni di osservazioni che potrebbe riscrivere la nostra comprensione della materia oscura, quella sostanza invisibile che costituisce la maggior parte della massa dell'universo ma che continua a sfuggire alla nostra rilevazione diretta.
La sfida delle particelle fantasma
I risultati appena pubblicati rappresentano un paradosso tipico della ricerca scientifica: non aver trovato nulla può essere altrettanto rivelatore quanto una scoperta clamorosa. Come spiega Hugh Lippincott, fisico sperimentale dell'Università della California di Santa Barbara, "Anche se speriamo sempre di scoprire una nuova particella, è fondamentale per la fisica delle particelle essere in grado di stabilire dei limiti su cosa potrebbe effettivamente essere la materia oscura".
L'esperimento ha spinto i confini della sensibilità nella ricerca delle WIMP (particelle massive debolmente interagenti), uno dei candidati principali per spiegare la natura della materia oscura. Queste ipotetiche particelle interagirebbero così raramente con la materia ordinaria che servono strumenti di precisione estrema per tentare di catturarle.
Un meccanismo di precisione estrema
Il cuore del rivelatore LUX-ZEPLIN somiglia più a un'opera d'ingegneria di precisione che a un tradizionale esperimento di laboratorio. Due serbatoi di titanio concentrici contengono dieci tonnellate di xenon liquido purissimo, una sostanza così densa da creare un ambiente completamente isolato dal "rumore" del mondo esterno. L'obiettivo è catturare il momento in cui una WIMP colpisce un nucleo di xenon, provocandone il movimento come una palla da biliardo colpita dalla stecca.
Attorno a questo nucleo centrale si estende un rivelatore esterno molto più grande: serbatoi di acrilico riempiti con scintillatore liquido caricato con gadolinio. Questa architettura a cipolla serve a schermare e identificare ogni possibile fonte di interferenza che potrebbe mascherare o imitare un segnale di materia oscura.
I falsi positivi: nemici invisibili
Scott Haselschwardt, coordinatore fisico del progetto e ora professore all'Università del Michigan, evidenzia una delle sfide più insidiose: "Stiamo esplorando territori dove nessuno ha mai cercato la materia oscura prima. C'è una tendenza umana a voler vedere schemi nei dati, quindi è davvero importante quando si entra in questo nuovo regime che non si insinui alcun pregiudizio".
I neutroni rappresentano uno dei principali "impostori" nelle ricerche di WIMP. Come spiega Makayla Trask, studentessa specializzanda dell'UC Santa Barbara: "Il problema dei neutroni è che anch'essi interagiscono con i nuclei di xenon, producendo un segnale identico a quello che ci aspettiamo dalle WIMP. Il rivelatore esterno è eccellente nel rilevare i neutroni e conferma una rilevazione di WIMP non avendo alcuna risposta".
Un altro nemico silenzioso è il radon, che produce una particolare sequenza di decadimenti radioattivi facilmente confondibili con segnali di materia oscura. Jack Bargemann, ora ricercatore post-dottorato presso il Pacific Northwest National Laboratory, descrive come il team sia riuscito a identificare l'intera catena di decadimenti del radon per distinguerla dai potenziali segnali delle WIMP.
La strategia del "salting" contro i pregiudizi inconsci
Per eliminare qualsiasi forma di pregiudizio inconscio, la collaborazione LUX-ZEPLIN ha adottato una tecnica chiamata "salting": l'aggiunta di falsi segnali di WIMP durante la raccolta dei dati. Questa strategia consente di mantenere "camuffati" i dati reali fino al momento finale dell'analisi, evitando che i ricercatori possano inconsciamente orientare le loro interpretazioni.
L'approccio metodologico riflette una maturità scientifica che caratterizza le ricerche di frontiera più avanzate. Con questi risultati, il campo delle possibilità per le caratteristiche delle WIMP si è drasticamente ridotto, permettendo a tutti gli scienziati che cercano la materia oscura di focalizzare meglio le loro ricerche e scartare modelli errati del funzionamento dell'universo.
Oltre la materia oscura: una finestra su fenomeni rari
Come sottolinea Chami Amarasinghe, ricercatrice post-dottorato dell'UC Santa Barbara, l'esperimento ha una portata che va oltre la caccia alle WIMP: "Il nostro esperimento è anche sensibile a eventi rari con radici in diverse aree della fisica. Alcuni esempi sono i neutrini solari, i decadimenti affascinanti di certi isotopi dello xenon, e persino altri tipi di materia oscura".
La collaborazione LUX-ZEPLIN, che coinvolge circa 250 scienziati di 38 istituzioni distribuite tra Stati Uniti, Regno Unito, Portogallo, Svizzera, Corea del Sud e Australia, prevede di raccogliere 1.000 giorni di dati prima della conclusione dell'esperimento nel 2028. Nel frattempo, i ricercatori stanno già progettando potenziali aggiornamenti e pianificando un rivelatore di nuova generazione chiamato XLZD, che promette di spingere ancora più in profondità i confini di questa ricerca fondamentale.