Roma – È un mistero che fa grattare la testa ai fisici da più di 20 anni. L’esperimento DAMA/LIBRA presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) vicino L’Aquila, in Italia, ha registrato una fluttuazione annuale di lampi luminosi nel suo rilevatore che sembra essere un segno di materia oscura . Ma nessuno è stato in grado di replicare in modo definitivo i risultati.
Ma sotto una montagna a Jeongseon, in Corea del Sud, i ricercatori stanno intensificando un esperimento che potrebbe finalmente mettere fine alla controversa affermazione sulla materia oscura. A giugno, i ricercatori finiranno di installare un rilevatore rinnovato in una struttura nuova di zecca chiamata Yemilab. Se tutto andrà secondo i piani, l’esperimento COSINE-100 aggiornato sarà avviato entro agosto, afferma Hyun Su Lee, fisico dell’Institute for Basic Science (IBS) di Daejeon, in Corea del Sud. A darne l’annuncio un articolo su Nature News.
Si ritiene che la materia oscura rappresenti l’85% della massa nell’Universo, ma poiché interagisce a malapena con la materia ordinaria e non interagisce affatto con la luce, è notoriamente difficile da osservare direttamente. Diversi gruppi di ricerca hanno cercato di intravedere la sfuggente sostanza, ma solo l’esperimento DAMA/LIBRA ha affermato di averla vista dal vivo.
La prospettiva di confermare l’osservazione della materia oscura ha catturato l’attenzione dei fisici. “C’è un grande sforzo nella comunità della materia oscura per riprodurre questo risultato”, afferma Nicola Rossi, fisico sperimentale delle particelle ai LNGS.
Mele e mele
Le osservazioni di DAMA/LIBRA del distinto modello annuale sono coerenti con ciò che i fisici si aspetterebbero dalla posizione relativa della Terra nella galassia durante tutto l’anno. Mentre la Terra orbita attorno al Sole, il Sole orbita attorno al buco nero al centro della Via Lattea. Nel mese di giugno, la Terra sfreccia attraverso la Via Lattea nella stessa direzione del Sole, aumentando la sua velocità relativa attraverso la nebbia della materia oscura. Ma a dicembre, la Terra viaggia con il flusso di materia oscura che si muove nella direzione opposta al Sole. Come previsto, il numero di segnali registrati dal rilevatore DAMA/LIBRA è più alto a giugno e più basso a dicembre.
Una manciata di gruppi hanno tentato di riprodurre i risultati di DAMA/LIBRA utilizzando metodi e materiali simili nei loro rilevatori, incluso lo stesso tipo di cristalli di ioduro di sodio che emettono minuscoli lampi di luce quando vengono colpiti da particelle subatomiche. Tra questi c’è COSINE-100, che è in funzione dal 2016 presso il predecessore di Yemilab, lo Yangyang Underground Laboratory (Y2L) in Corea del Sud. Ma nessuno ha prodotto risultati che corrispondano a quelli dell’esperimento originale, sollevando dubbi sul fatto se l’oscillazione annuale dei segnali sia dovuta a qualcos’altro, come il rilevatore stesso o a errori nei metodi di analisi utilizzati. “Questo è un enigma che è ancora lì dopo 20 anni”, dice María Luisa Sarsa, una fisica che lavora all’esperimento ANAIS-112, che si concentra anche sulla replica dei risultati di DAMA/LIBRA, presso il Laboratorio sotterraneo Canfranc di Huesca, in Spagna.
Ma per confermare o escludere definitivamente le affermazioni di DAMA/LIBRA, gli esperimenti devono corrispondere il più possibile all’originale, afferma Henry Tsz-King Wong, fisico dell’Academia Sinica di Nangang, Taiwan. Sebbene il rivelatore COSINE-100 utilizzi lo stesso tipo di cristalli di ioduro di sodio, questi contengono fino a tre volte più radiazioni di quelli utilizzati in DAMA/LIBRA, il che può confondere i deboli segnali di potenziali particelle di materia oscura e rendere difficile la produzione risultati definitivi. “Alla comunità piacerebbe moltissimo avere qualcosa che sia davvero comparabile, identico in tutto”, dice Wong, che lavora all’esperimento cinese sulla materia oscura presso il China Jinping Underground Laboratory nel Sichuan.
L’esperimento aggiornato utilizzerà gli stessi cristalli di quelli utilizzati nel precedente esperimento COSINE-100, ma con alcuni miglioramenti aggiuntivi per aumentarne la sensibilità, afferma Lee. Il team sta inoltre sviluppando una serie di cristalli di ioduro di sodio che saranno ancora più radiopuri di quelli di DAMA/LIBRA per la fase successiva dell’esperimento, COSINE-200. Con livelli di radioattività ancora più bassi, la speranza è quella di generare dati sufficienti in un periodo di tempo più breve per raggiungere una conclusione più solida sui risultati di DAMA/LIBRA e anche per cercare materia oscura di piccola massa, afferma Lee, che è co-responsabile di COSINE- 100. “Un rilevatore di fondo più basso semplificherebbe tutti gli aspetti dell’analisi”, afferma.
Neutrini
COSINE-100 sarà ospitato nel nuovissimo Yemilab di 3.000 metri quadrati. La struttura da 31 miliardi di won (23 milioni di dollari) si trova a circa 1 chilometro sottoterra e supera Y2L sia in profondità che in volume. Da settembre 2023, i ricercatori hanno spostato tutti gli esperimenti Y2L a Yemilab, dove inizieranno la fase successiva entro la fine di quest’anno.
Yemilab offre anche un ambiente meglio schermato per rilevare particelle sfuggenti oltre alla materia oscura. La struttura andrà anche a caccia di neutrini, particelle prive di carica che hanno a malapena massa. La seconda fase di un esperimento chiamato AMoRE cercherà segni di due neutroni che decadono in protoni ed elettroni senza emettere un neutrino. Questo processo ipotizzato è chiamato doppio decadimento β senza neutrini e, se osservato, dimostrerà che i neutrini sono la loro stessa antiparticella. Ciò potrebbe offrire indizi sulla loro massa e spiegare perché nell’Universo c’è più materia che antimateria, afferma Yeong-duk Kim, fisico dell’IBS e portavoce di AMoRE. Il rilevatore di neutrini aggiornato utilizzerà circa 160 chilogrammi di cristalli incorporati con molibdeno-100, un radioisotopo presente in natura. Quando AMoRE-II entrerà in funzione alla fine di quest’anno, sarà 100 volte più sensibile della versione precedente dell’esperimento, aggiunge Kim.
Sia che i due esperimenti riescano o falliscano nel rilevare gli eventi rari che stanno cercando, sono comunque destinati a sollevare ulteriori domande, afferma Rossi. “Se entrambi fornissero solo risultati nulli, dovremmo iniziare seriamente a ripensare l’Universo”, afferma.(30Science.com)
