Dagli anni '60, gli scienziati hanno teorizzato che l'Universo è pieno di una massa misteriosa e invisibile. Conosciuta come "materia oscura", si stima che questa massa rappresenti all'incirca l'85% della materia nell'Universo e un quarto della sua densità energetica. Mentre questa massa è stata osservata e studiata indirettamente, finora tutti i tentativi di determinare la sua vera natura sono falliti.
Per ovviare a questo, sono in corso molteplici esperimenti che si basano su strumenti estremamente sofisticati. Uno di questi, chiamato XENON, ha recentemente osservato un processo che in precedenza aveva evitato molteplici tentativi di rilevamento. Questi risultati potrebbero aiutare gli scienziati a migliorare la loro comprensione dei neutrini, che alcuni scienziati ritengono sia composta dalla materia oscura.
I risultati (XENON1T) sono apparsi nell'ambito di uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Natura. XENON è un progetto sperimentale congiunto di circa 160 scienziati provenienti da Europa, Stati Uniti e Medio Oriente. Attualmente è guidato dalla Prof. Elena Aprile della Columbia University e gestito dal Gran Sasso National Laboratory (LNGS) in Italia.
Come altri esperimenti sulla materia oscura, mira a rilevare le particelle di materia oscura candidate conosciute come particelle voluminose che interagiscono debolmente (WIMPS). A tale scopo, la struttura è situata in profondità nel sottosuolo in modo da evitare interferenze da altre fonti di neutrini (che includono i neutrini solari creati regolarmente dal nostro Sole e neutrini cosmici).
Nel caso dell'esperimento XENON, ciò comporta l'osservazione di una camera piena di liquido Xenon-124 per segni di interazioni tra particelle. Questi segni fornirebbero la prima prova sperimentale diretta di particelle candidate alla materia oscura. E mentre la loro prima serie di risultati non ha confermato l'esistenza della materia oscura, ha osservato per la prima volta il decadimento dei nuclei atomici Xenon-124.
Per una serie di ragioni, questo è stato un risultato immenso. Oltre ad essere una prima storica, l'emivita misurata per Xenon-124 è circa un trilione di volte più lunga dell'età dell'Universo stesso (13,8 miliardi di anni). Questo rende il decadimento radioattivo che hanno osservato - la cosiddetta cattura a doppio elettrone di Xenon-124 - il processo più raro mai osservato in un rivelatore.
Come ha spiegato il prof. Christian Weinheimer - un membro dell'Università di Münster, il cui gruppo ha guidato lo studio - in un comunicato stampa di XENON:
"Il fatto che siamo riusciti a osservare questo processo dimostra direttamente quanto sia efficace il nostro metodo di rilevamento, anche per segnali che non provengono dalla materia oscura".
Per interrompere questo processo, un atomo di Xenon-124 è composto da 54 protoni e 70 neutroni che sono circondati da gusci atomici con 54 elettroni. Nel processo noto come cattura a doppio elettrone, due protoni nel nucleo simultaneamente "catturano" due elettroni dal guscio più interno, li trasformano in due neutroni e sputano due neutrini.
Gli altri elettroni quindi si riorganizzano per riempire il vuoto creato nel guscio più interno mentre l'energia viene rilasciata sotto forma di raggi X e quelli che sono chiamati "elettroni Auger". Tuttavia, questi segnali sono molto difficili da rilevare poiché il processo è molto raro ed è nascosto dalla radioattività naturale. Tuttavia, la collaborazione XENON è riuscita a fare proprio grazie a un anno di osservazioni con i loro strumenti.
I raggi X emessi a seguito della cattura del doppio elettrone producevano un segnale luminoso nello xeno liquido e anche elettroni liberi. Questi elettroni si sono quindi spostati verso la parte superiore riempita di gas del rivelatore, dove hanno prodotto un secondo segnale luminoso, e la differenza di tempo tra i due corrispondeva al tempo impiegato dagli elettroni per raggiungere la parte superiore del rivelatore.
Il team scientifico ha utilizzato questo intervallo e i sensori della camera per ricostruire la posizione della doppia cattura elettronica mentre l'intensità del segnale è stata utilizzata per misurare quanta energia è stata rilasciata. Ciò ha fornito agli scienziati i mezzi per determinare l'emivita incredibilmente lunga dello xeno, che hanno calcolato in 1,8 × 10²² anni.
Questi risultati dimostrano efficacemente la capacità dei rilevatori XENON di rilevare processi rari rifiutando i segnali di fondo. I nuovi risultati potrebbero anche consentire ulteriori indagini sui neutrini, che sono le particelle elementari più leggere e non sono ancora completamente comprese. Questi includono la massa del neutrino, che non è ancora ben vincolata.
Come cristiano
“Dimostra che questa tecnologia di rivelatore XENON che utilizziamo per la materia oscura è molto più versatile. Otteniamo tutte queste fantastiche analisi ... gratuitamente dopo aver costruito un esperimento abbastanza sensibile da cacciare la materia oscura ".
La serie di osservazioni XENON1T ha raccolto dati tra il 2016 e il dicembre 2018, a quel punto è stata chiusa per effettuare aggiornamenti. Una volta completati, il team scientifico inizierà a condurre la fase successiva delle osservazioni. Nota come "XENONnT", questa fase presenterà una massa del rivelatore attiva tre volte più grande del primo esperimento.
Insieme agli aggiornamenti progettati per ridurre le interferenze di fondo, il rivelatore avrà un livello di sensibilità di molti ordini di grandezza superiore. A questo punto, possiamo aspettarci che l'esperimento farà brillare una luce ancora più luminosa sulle aree scure dell'Universo.
