Suggerimenti di una 'neutrino fog' potrebbero complicare gli sforzi per rilevare la materia oscura

Il 12 novembre 2024 Questo articolo è stato revisionato secondo il processo editoriale e le politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi nel garantire la credibilità del contenuto: verificato pubblicazione sottoposta a revisione tra pari fonte affidabile corretto di David Appell, su Phys.org Già la ricerca della materia oscura è un compito abbastanza difficile, ma i fisici potrebbero aver individuato un altro ostacolo noto come 'nebbia di neutrini' proveniente dai neutrini solari che attraversano la Terra. 

Alcuni esperimenti sono attualmente in corso per rilevare la materia oscura, l'ipotetico qualcosa che costituisce il 27% della massa-energia dell'universo e spiegherebbe le curve di rotazione delle galassie e altro ancora. Si prevede che la materia oscura sia costituita da particelle fredde che interagiscono quasi esclusivamente con la materia ordinaria, motivo per cui vengono definite particelle massive debolmente interagenti (WIMPs). 

Uno dei metodi di rilevamento più popolari e sperati è rappresentato dai contenitori di xenon in forma liquida posti in profondità nel terreno. 

Si spera che la materia oscura che colpisce la Terra attraversi la roccia sovrastante fino al rilevatore, eliminando praticamente tutti i raggi cosmici che colpiscono anche la Terra. Tuttavia, i neutrini sono anch'essi particelle molto debolmente interagenti che possono raggiungere i livelli più profondi della terra, e il sole ne fornisce un grande flusso - per energie inferiori fino a 18 MeV/c2, fino a 700 trilioni al secondo su ogni metro quadrato. 

Quasi l'intera quantità passa direttamente attraverso la Terra, ma una piccolissima parte reagirà con un atomo o un nucleo. 

Man mano che i rilevatori diventano sempre più sensibili, questa 'nebbia di neutrini' può interferire con la capacità di rilevare la materia oscura. E sembra che questo sia stato visto in due esperimenti condotti sottoterra alla ricerca di materia oscura: l'esperimento PandaX-4T situato presso il Laboratorio Sotterraneo di Jinping in Cina e l'esperimento XENONnT presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso in Italia. 

Entrambi i gruppi hanno pubblicato articoli lo stesso giorno su Physical Review Letters con prove di interazioni di neutrini nei loro rilevatori da scosse nucleari quando un neutrino si scontra con un nucleo di xenon. Sebbene i loro risultati siano appena al di sotto del test di significatività a tre sigma comunemente utilizzato dai fisici come prova, non si avvicinano ancora allo standard di cinque sigma per una scoperta. 

Tuttavia, i risultati suggeriscono che la nebbia di neutrini potrebbe complicare i loro futuri sforzi. I neutrini solari sono prodotti nella catena di reazioni nucleari del sole, quando il 8B (boro) decade in 8Be* (berillio in uno stato eccitato e instabile), un positrone e un neutrino elettronico. (Il boro ha un numero atomico di 5, con cinque protoni nel suo nucleo e sei neutroni; il 8B è un radioisotopo con due neutroni in più nel nucleo, e un'emivita di soli 772 millisecondi.) 

Questi neutrini, che costituiscono solo lo 0,02% di tutti i neutrini solari, sfuggono facilmente al plasma solare e alcuni giungono sulla Terra, interrompendo bruscamente i pazienti rilevatori di materia oscura. Quelli che si disperdono lo fanno attraverso un processo chiamato scattering nucleare coesivo dei neutrini elastici, o CEνNS. (La lettera greca nu (ν) è il simbolo comune per un neutrino.) 

Il neutrino interagisce con il nucleo nel suo complesso ed è più probabile rispetto alle interazioni con singoli nucleoni o elettroni. Il processo di scattering CEνNS è stato scoperto in un acceleratore nel 2017, ma per le basse energie dei neutrini è molto difficile da osservare perché il nucleo riflesso ha una bassa energia, fino a 1 keV/c2. I rilevatori sono costituiti da 1-2 metri cubi di xenon liquido con una massa di 4-6 tonnellate, a una temperatura di circa -110°C (163 K), installati a 1.400 metri sotto la superficie in Italia, e 2.400 metri in Cina. L'obiettivo principale iniziale per entrambi è rilevare la materia oscura. 

Ognuno ha raccolto dati da due diverse sessioni sperimentali nel corso di due anni, cercando interazioni CEνNS candidate basate su previsioni teoriche che includono le performance del rilevatore e il flusso noto di neutrini 8B. Il rilevatore di XENONnT ha osservato 11 eventi CEνNS attraverso l'analisi dei dati tramite apprendimento automatico (e 26 eventi attribuiti a fonti di sfondo), mentre PandaX-4T ne ha segnalati 75. 

Sebbene il rilevatore di XENOXnT abbia il 60% in più di volume e un tempo di esposizione efficace del 60% più elevato, PandaX-4T è situato un chilometro più in profondità rispetto al terreno. Ma il motivo principale per il maggior conteggio di PandaX-4T è un'energia-soglia inferiore per ciò che costituisce un'interazione. Lo svantaggio di quella soglia inferiore è un rumore di fondo più alto per l'analisi dei dati da filtrare ed eliminare.

 Entrambi hanno misurato un flusso di neutrini dal sole che, sovrapponendosi, è coerente con quanto predetto dai modelli solari standard del sole - circa 50 miliardi di neutrini/m2/s, e una sezione d'urto dello scattering CEνNS per il Xenon coerente con il Modello Standard di fisica delle particelle.

Alla fine, ogni esperimento ha ottenuto una simile sicurezza statistica che avevano rilevato interazioni CEνNS con 8B - 2,64 sigma per PandaX-4T e 2,73 sigma per XENONnT. (Un livello di fiducia di 3 sigma significa che il risultato ha una probabilità dello 0,3% di essere una fluttuazione di background; 5-sigma ha solo lo 0,00006% di probabilità.) Come già detto, questi non sono abbastanza alti perché i risultati siano considerati prove.

'Con il continuo rilevamento dei dati da PandaX-4T e i futuri aggiornamenti, ci aspettiamo di migliorare significativamente la misurazione dei neutrini 8B, aprendo eccitanti nuove opportunità scientifiche da profondità sotterranee,' ha scritto la PandaX Collaboration. 'Lo sviluppo di rivelatori di xeono liquido potrebbe anche aprire nuove strade per la rilevazione di neutrini a bassa energia utilizzando il canale CEνNS.'

La XENON Collaboration ha scritto, 'Mentre XENONnT continua a rilevare dati, ci si aspettano misurazioni più precise in futuro', sperabilmente superando la soglia dei 3 sigma per le prove.

Ulteriori informazioni: Zihao Bo et al. (PandaX Collaboration), Prima indicazione dei neutrini solari 8B tramite scattering nucleare neutrino-nucleo elastico coerente in PandaX-4T, Physical Review Letters, 2024. DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191001

E. Aprile et al. (XENON Collaboration), Prima indicazione dei neutrini solari 8B tramite scattering nucleare neutrino-nucleo elastico coerente con XENONnT, Physical Review Letters (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.191002. journals.aps.org/prl/abstract/ ... ysRevLett.133.191002

Informazioni sulla rivista: Physical Review Letters

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