La materia oscura verrà scoperta al Gran Sasso?

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Sotto la montagna del Gran Sasso, in Italia centrale, c'è un serbatoio che contiene oltre otto tonnellate di xeno, un gas nobile che normalmente si trova in piccole tracce nell'atmosfera. Nel 2020, mentre il resto del mondo era chiuso in casa a causa della pandemia, fisici e tecnici hanno trascorso mesi ad assemblare e mettere a punto il serbatoio e l'apparato sperimentale che lo circonda, chiamato XENONnT. Per i prossimi cinque anni, osserveranno da vicino ciò che accade al suo interno, sperando di rilevare il debole segnale che gli atomi di xeno produrrebbero se li urtasse una particella di materia oscura.

Rilevare particelle di materia oscura è la prossima grande scoperta attesa nel campo della fisica, dopo la scoperta del Bosone di Higgs nel 2012 e la prima rilevazione di un'onda gravitazionale nel 2015. In entrambi quei casi i ricercatori italiani hanno avuto un ruolo importante, ma questa volta l'Italia è nella lista – molto corta - dei paesi in cui la storica scoperta potrebbe avvenire.

XENONnT, che ha appena iniziato a prendere dati che potrebbero apportare novità scientifiche, è attualmente il rivelatore più grande e sensibile di materia oscura del mondo, grazie a una massa attiva (la quantità di xeno effettivamente disponibile per le misurazioni) di quasi sei tonnellate. Inoltre, i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) ospiteranno un altro rivelatore di materia oscura basato su una tecnologia diversa, chiamato DarkSide-20K e contenente 50 tonnellate di argon, che dovrebbe entrare in funzione nel 2025. E il laboratorio potrebbe un giorno ospitare anche Darwin, un dispositivo allo xeno da 50 tonnellate.

Tutto ciò pone il laboratorio italiano in vantaggio nella corsa verso la prima rilevazione di materia oscura. Ma il risultato è tutt'altro che assicurato, a causa della competizione con altri esperimenti in Cina e negli Stati Uniti; delle trattative in corso sulla sede finale di Darwin; e dell'incertezza sul fatto che la materia oscura sia davvero ciò che i fisici pensano che sia.

Sempre più grande

XENONnT è la versione in scala più grande del suo predecessore XENON1T, che conteneva 2 tonnellate di xeno e ha raccolto dati dal 2016 al 2018. Il Covid-19 ha colpito l'Italia mentre il nuovo esperimento era in corso di installazione al Gran Sasso, ritardandone la messa in funzione di quattro mesi, spiega Marco Selvi, lo scienziato responsabile dell'esperimento all'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Ora il primo ciclo di raccolta dati è iniziato, dice Selvi, e lo strumento dovrebbe rimanere operativo per cinque anni.

Ci sono varie ipotesi su quali caratteristiche potrebbero avere le particelle di materia oscura. Gli esperimenti con gas nobili come XENONnT puntano a quella che gli scienziati considerano l'opzione più probabile, cioè le Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Queste particelle sarebbero più pesanti del protone e interagirebbero con la materia ordinaria solo attraverso la gravità e, forse, la forza debole. Le WIMPs sono attraenti perché si sposano bene con la supersimmetria - una teoria che suggerisce che ogni particella conosciuta ha una controparte più pesante che deve ancora essere scoperta, e che è la più accreditata tra le teorie fisiche che cercano di superare i limiti del Modello Standard.

Gli scienziati sperano che, una volta ogni tanto, una WIMP possa colpire uno degli atomi di xeno nel serbatoio, causando un lampo di luce e l'emissione di un elettrone che verrebbero raccolti dal rivelatore dell'esperimento. Aumentando le dimensioni dei rivelatori, i fisici cercano di catturare ipotetiche particelle di materia oscura che interagiscono sempre meno con gli atomi nei gas, e allo stesso tempo esplorano una gamma di masse possibili. Con le sue 6 tonnellate di massa attiva e una tecnologia migliorata, XENONnT sarà circa 10 volte più sensibile del suo predecessore, secondo Selvi. Ma rilevare una WIMP sarebbe comunque un evento estremamente raro. Il team si aspetta non più di un evento all'anno, nella migliore delle ipotesi.

XENONnT ha due concorrenti diretti basati sulla stessa tecnologia. Un dispositivo da 4 tonnellate chiamato PandaX-4t ha preso dati per 100 giorni nel China JinPing Underground Laboratory (CJPL) nel Sichuan. L’esperimento ha già migliorato i limiti precedentemente fissati da XENON1T, secondo i primi dati presentati a una conferenza in luglio. Al Stanford Underground Research Facility negli Stati Uniti, la raccolta di dati scientifici dell'esperimento LUX-ZEPLIN (LZ) da 7 tonnellate dovrebbe iniziare prima della fine del 2021, secondo il portavoce Hugh Lippincott, dell'Università della California Santa Barbara. La logica di avere diversi esperimenti dello stesso tipo è che "se uno scopre un segnale sarebbe bello avere una conferma indipendente", dice Lippincott.

Altri esperimenti usano argon invece di xeno. Ci si aspetta che le particelle di materia oscura si comportino in modo diverso dopo una collisione con nuclei diversi, e questo fornirebbe ulteriori informazioni sulle loro caratteristiche, specialmente sulla loro massa. A differenza della comunità dello xeno, quella dell'argon si concentra su un singolo esperimento, DarkSide-20k, che dovrebbe iniziare al Gran Sasso tra quattro anni. "Abbiamo iniziato con diversi esperimenti, ma poi ci siamo resi conto che non aveva senso replicare più volte lo stesso", dice Cristiano Galbiati, co-direttore di DarkSide-20k e professore alla Princeton University.

Pronti per la prossima generazione

Nel caso in cui la materia oscura non venga trovata dall'attuale generazione di esperimenti con gas nobili, i fisici stanno già preparando la prossima.

La comunità dell'argon sta progettando Argo, un rivelatore con 300-400 tonnellate di argon da collocare al laboratorio Snolab vicino a Sudbury, in Canada. Quanto alle xeno, una collaborazione a guida europea ha presentato una proposta per Darwin, un rivelatore da 50 tonnellate, e ha segnalato l'intenzione di costruirlo ai Laboratori del Gran Sasso.

Il progetto è attualmente finanziato da due grant del Consiglio Europeo della Ricerca e da altre sovvenzioni nazionali, e potrebbe essere pronto per iniziare la costruzione intorno al 2025, secondo la portavoce di Darwin Laura Baudis, dell'Università di Zurigo. Ma è ancora incerto se l'esperimento sorgerà effettivamente in Italia, così come il suo nome e il suo design finale. L'attuale produzione mondiale di xeno non permette più di un esperimento di quelle dimensioni. "La produzione annuale è di circa 70 tonnellate, ma molto va a compratori come la NASA, l'industria, le applicazioni mediche e così via", dice Baudis. "Stiamo già facendo scorte, infatti ho appena comprato alcune centinaia di chili". Questo è uno dei motivi che sta spingendo la comunità dello xeno a unire i propri sforzi. I rappresentanti di Darwin e LZ hanno firmato un memorandum d'intesa nel luglio 2021, in cui si impegnano a lavorare insieme al prossimo rivelatore, ma lasciando aperta la questione della sua collocazione.

"Se dipende dall'Europa, Darwin andrà al Gran Sasso", dice il direttore del laboratorio Ezio Previtali. Ma secondo Lippincott, anche lo Snolab e il Sanford Underground Research Facility possono essere buone opzioni. Le cose potrebbero diventare più chiare dopo Snowmass 2021, l'esercizio di pianificazione della comunità statunitense di fisica delle particelle che inizia questo mese. Entro l'estate del 2022 dovrebbe essere chiaro quanto i fisici statunitensi siano disposti a impegnarsi in grandi esperimenti sulla materia oscura.

La Cina non è coinvolta in questa conversazione. "Il nostro laboratorio sta subendo un grande ampliamento e stiamo puntando a un esperimento con circa 30 tonnellate di xeno", dice Jianglai Liu, portavoce di PandaX-4t. "Ma è in una fase molto preliminare".

Indipendentemente da i luoghi in cui vengano costruiti, i rivelatori della prossima generazione potrebbe essere gli ultimi. "Se non troviamo particelle di materia oscura con Darwin, sarà difficile convincere qualcuno a costruire un rivelatore ancora più grande", dice Baudis. Quei dispositivi si avvicineranno troppo al cosiddetto neutrino floor, un limite teorico oltre il quale i segnali delle particelle oscure non sarebbero distinguibili da quelli dei neutrini.

Nonostante questo, un'alleanza informale di gruppi di ricerca di diversi paesi sta proponendo un nuovo tipo di rivelatore chiamato Cygnus, che potrebbe distinguere le particelle oscure dai neutrini in base alla loro direzione. Invece, altri ricercatori si sono già orientati a esperimenti più piccoli, basati su materiali solidi (uno di questi, CRESST, è anche al Gran Sasso), che potrebbero rilevare le WIMPs nel caso fortunato che la loro massa fosse molto piccola.

Se niente di tutto ciò funzionasse, i fisici dovrebbero riconsiderare radicalmente l'ipotesi delle WIMPs. La materia oscura potrebbe essere fatta da particelle molto più leggere, come gli assioni. Oppure potrebbe non esistere affatto, una conclusione che costringerebbe gli scienziati a ripensare da zero la loro visione della gravità.

C'è poco dibattito tra i fisici sul fatto che valga la pena esplorare ogni strada. "Le domande sulla materia oscura sono troppo importanti per la scienza" conclude Galbiati. "Sono scoperte che cambierebbero la storia della fisica, che non si ottengono gratis".