Esperimenti sulla materia oscura ottengono un primo sguardo alla 'nebbia di neutrini'

La "nebbia" dei neutrini sta iniziando a materializzarsi.

Le particelle subatomiche leggere chiamate neutrini hanno iniziato a farsi strada nei dati di esperimenti non progettati per individuarle. Due esperimenti, costruiti per rilevare particelle di materia oscura, hanno catturato i primi barlumi di neutrini nati nel sole, riferiscono i fisici. "È un trionfo", afferma la fisica dei neutrini Kate Scholberg della Duke University, che non è stata coinvolta nella ricerca. Gli accenni di questi neutrini sono un segno atteso da tempo del miglioramento delle prestazioni dei rilevatori. "In realtà è una pietra miliare", afferma Scholberg.

Conosciuta come "nebbia dei neutrini", la firma suggerisce un nuovo modo di studiare le particelle subatomiche difficili da rilevare. Ma indica anche l'inizio della fine per i rilevatori di materia oscura di questo tipo, che mirano a individuare le particelle massicce non identificate che riempiono il cosmo. Man mano che questi rilevatori diventano più capaci, la nebbia dei neutrini potrebbe oscurare potenziali segnali di materia oscura. 

L'esperimento XENONnT (pronunciato "xenon n-ton"), presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia, ha rilevato tracce di neutrini prodotti nel sole, hanno riferito i fisici il 10 luglio all'International Workshop on the Identification of Dark Matter tenutosi a L'Aquila, in Italia. E l'esperimento PandaX-4T, presso il China Jinping Underground Laboratory di Liangshan, ha rilevato prove simili, hanno riferito i ricercatori al workshop dell'8 luglio e in un articolo presentato il 15 luglio ad arXiv.org. Il risultato "apre [una] nuova porta all'utilizzo dei nostri rilevatori per studiare i neutrini e cercare nuovi fenomeni fisici associati", afferma il fisico Ning Zhou della Shanghai Jiao Tong University, vice portavoce di PandaX. 

Nei processi di fusione nucleare che alimentano il sole, vengono prodotte moltitudini di neutrini in una varietà di reazioni diverse (SN: 9/1/14). Alcuni dei più energetici provengono dal decadimento radioattivo del boro-8, un tipo di boro creato durante il processo di fusione. Gli scienziati avevano previsto da tempo che quei neutrini fossero abbastanza diffusi e avessero le energie appropriate per essere visti nei rilevatori di materia oscura. Questo è ciò che hanno scoperto i due rilevatori di materia oscura. Ogni esperimento ospita diverse tonnellate di xeno liquido. Se una particella di materia oscura si schianta contro il nucleo di un atomo di xeno, gli esperimenti possono rilevare il rinculo di quel nucleo in risposta, rivelando la presenza di materia oscura. Ma i neutrini possono anche colpire i nuclei atomici, causando rinculi simili. 

Questo tipo di interazione, in cui un neutrino colpisce un intero nucleo atomico anziché un singolo protone o neutrone, è stato osservato per la prima volta nel 2017 nell'esperimento COHERENT, utilizzando neutrini da una fonte di laboratorio (SN: 8/3/17). I due nuovi esperimenti segnano i primi segnali di colpi di nucleo da parte di neutrini provenienti dal sole. In precedenza, gli scienziati avevano rilevato i neutrini solari con altri mezzi (SN: 6/24/20). In futuro, rilevare i neutrini solari tramite i nuclei che colpiscono potrebbe aiutare i fisici a comprendere meglio le particelle. 

Ad esempio, gli scienziati potrebbero studiare il segnale dei neutrini per cercare ciò che i rilevatori potrebbero non notare: ipotetici neutrini "sterili" che non interagirebbero affatto con la materia, a parte le forze gravitazionali (SN: 10/27/21). I rilevatori di materia oscura potrebbero anche individuare neutrini provenienti da altre fonti, come stelle vicine che esplodono. "È molto bello vedere che possiamo trasformare questo rilevatore in un osservatorio di neutrini", afferma il fisico Michael Murra della Columbia University, membro della collaborazione XENONnT.

I neutrini non stanno ancora limitando le prestazioni dei rilevatori di materia oscura. Il segnale dei neutrini solari oscurerebbe solo le particelle di materia oscura di bassa massa, che rientrano nell'intervallo di massa che questi rilevatori esaminano più attentamente per la materia oscura. C'è ancora molta strada da fare prima che i neutrini inizino a sommergere il rilevamento di materia oscura di masse più elevate.

La prossima generazione di rilevatori di materia oscura, oltre a XENONnT e PandaX-4T, dovrebbe essere ancora in grado di cercare la materia oscura. Ma ulteriori miglioramenti inizieranno a diventare difficili. Invece, gli scienziati potrebbero passare a rilevatori che misurano la direzione delle particelle in arrivo. Ciò consentirebbe ai ricercatori di cercare interazioni oscure che hanno origine lontano dal sole, eliminando i neutrini solari dai loro dati.