Breaking news: forse rilevati per la prima volta gli assioni nei laboratori del Gran Sasso

Secondo i ricercatori del LNGS (Laboratori Nazionali del Gran Sasso), ci sono tre possibili spiegazioni per i dati anomali rilevati. Una è banale. Due rivoluzionerebbero la fisica.

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Da anni i fisici stanno cercando di dare un corpo alla misteriosa e sfuggente Materia Oscura ma i risultati ottenuti finora sono stati abbastanza scarsi.
Ora un team di ricercatori ha rilevato risultati abbastanza strani ed inattesi, un eccesso di eventi avvenuti all’interno del loro rilevatore. Secondo i ricercatori impegnati nell’esperimento, ci sono tre possibili spiegazioni per i dati anomali. Una è banale. Due rivoluzionerebbero la fisica.
Gli eventi rilevati potrebbero adattarsi al profilo di un’ipotetica particella di materia oscura chiamata assione. In alternativa, i dati potrebbero essere spiegati da nuove proprietà dei neutrini. Più banalmente, il segnale potrebbe provenire da una contaminazione avvenuta all’interno dell’esperimento.
Gli assioni sono ipotetiche particelle ultraleggere, la cui esistenza non è stata ancora confermata, che vanno oltre il Modello Standard della fisica delle particelle, che descrive il comportamento delle particelle subatomiche. L’esistenza degli assioni è stata proposta per la prima volta già negli anni ’70 al fine di risolvere i problemi matematici che governano la forza forte, che lega insieme le particelle chiamate quark. nel tempo gli assioni sono diventati le particelle più sospettate per comporre la cosiddetta Materia Oscura, una sostanza misteriosa che sappiamo esistere per via dei suoi effetti sulle galassie ma che non emette luce e per questo definita “oscura”.
Nonostante l’entusiasmo che ci hanno dato questi risultati, dovremo essere molto pazienti per essere sicuri della loro interpretazione“, ha detto Luca Grandi, fisico dell’Università di Chicago e uno dei leader dell’esperimento XENON1T che ha coinvolto 163 ricercatori. “Ora sarà necessario replicare l’esperimento per escludere qualsiasi possibile contaminazione da atomi di trizio”, ha spiegato Grandi. il nuovo esperimento dovrebbe iniziare entro la fine dell’anno.
Se ne venisse confermata l’esistenza, non è ancora certo che questi assioni possano effettivamente fissare le asimmetrie nella forza forte. inoltre, non spiegherebbero la maggior parte della massa mancante nell’universo“, ha commentato Kai Martens, un fisico dell’Università di Tokyo che ha lavorato all’esperimento.

Se questa risulterà essere una nuova particella, allora siamo davanti ad una svolta che stiamo aspettando da 40 anni“, ha dichiarato Adam Falkowski , un fisico delle particelle dell’Università Saclay di Parigi, che non era coinvolto nell’esperimento.
Per 20 anni, esperimenti come XENON1T hanno dato la caccia alle particelle sconosciute che comprendono la materia oscura, la materia invisibile che spande il suo peso gravitazionale in tutto l’universo.
Se il segnale rilevato da XENON1T dovesse effettivamente provenire da assioni o neutrini non standard, “sarebbe chiaramente molto eccitante“, ha detto Kathryn Zurek, fisico teorico al California Institute of Technology. Per ora, però, “la banale spiegazione della contaminazione da trizio è più probabile nella mia mente“.
Il risultato descritto nel documento è un cumulo di eventi chiamati “rinculo elettronico” avvenuti all’interno del rivelatore XENON1T, un serbatoio rivestito di sensori pieno di 3,2 tonnellate di puro xeno, sepolto nei laboratori sotto il Gran Sasso. Essendo un elemento “nobile” chimicamente inerte, lo xeno crea una vasca di osservazione silenziosa in cui cercare le increspature provocate da particelle sconosciute che vi dovessero passare attraverso.
La serie di esperimenti XENON è stata originariamente progettata per cercare particelle ipotetiche pesanti di materia oscura chiamate particelle voluminose o WIMP che dovrebbero interagire debolmente. Eventuali WIMP che dovessero attraversare il rivelatore dovrebbero occasionalmente scontrarsi con un nucleo di xeno, generando un lampo di luce.
Ma dopo 14 anni di ricerche con rivelatori sempre più grandi e sensibili, i ricercatori non hanno visto questi rinculi nucleari.

Diversi anni fa gli scienziati di XENON hanno capito di poter usare il loro rilevatore per cercare altri tipi di particelle sconosciute che potrebbero passarci attraverso: particelle che possono collidere con un elettrone anziché con un nucleo di xeno.
Nella loro nuova analisi, i fisici hanno esaminato i rinculi elettronici registrati nel corso del primo anno di dati rilevati da XENON1T. Si aspettavano di vedere circa 232 di questi rinculi, causati da fonti note di contaminazione ma l’esperimento ne ha viste 285 – un surplus di 53 collisioni che indica una fonte non prevista.
Il team ha tenuto le scoperte nascoste per circa un anno. “Abbiamo lavorato e lavorato e cercato di capire“, ha detto Elena Aprile, fisico delle particelle della Columbia University che ha ideato il metodo di rilevamento basato su xeno e che guida gli esperimenti XENON. Dopo aver respinto tutte le possibili fonti di errore a cui potevano pensare, i ricercatori hanno fornito tre possibili spiegazioni alla dimensione e alla forma dell’urto nelle loro trame di dati.
la prima, e forse la più eccitante, è relativa all’esistenza di un “assione solare“, un’ipotetica particella prodotta all’interno del sole che sarebbe simile a un fotone ma con una piccolissima quantità di massa.
Qualsiasi assione prodotto di recente dal Sole non potrebbe essere la materia oscura che ha plasmato il cosmo sin dai tempi primordiali. Ma se l’esperimento avesse davvero rilevato assioni solari, avremmo la conferma che gli assioni esistono.
I ricercatori hanno affermato che l’energia degli assioni solari inferita dall’urto di XENON1T non si adatta ai modelli più semplici di materia oscura degli assioni, ma probabilmente modelli più complicati possono riconciliarli.
I membri della collaborazione XENON hanno espresso una confidenza “3.5 sigma” per l’ipotesi degli assioni solari.
Un’altra possibilità è che i neutrini – le più misteriose e sfuggenti particelle conosciute in natura – possano avere grandi momenti magnetici, il che significherebbe che sono come piccoli magneti a barra. Una simile proprietà consentirebbe loro di colpire gli elettroni a una velocità maggiore, spiegando il surplus di rinculo elettronico. Graham ha affermato che eventuali neutrini in possesso di un momento magneticosarebbero anche molto eccitanti poiché indicherebbero una nuova fisica oltre il Modello standard“.
Per questa ipotesi il livello di confidenza è stato espresso in “3.2 sigma”.
Ma è anche possibile che tracce di trizio, un raro isotopo dell’idrogeno, siano presenti nel serbatoio dello xeno e che il loro decadimento radioattivo generino il rinculo elettronico. Questa possibilità “non può essere né confermata né esclusa“, ha scritto il team XENON1T nell’articolo che illustra i risultati dell’esperimento.
Anche in questo caso il livello di confidenza è stato dichiarato in “3.2 sigma”.
I critici, però, stanno già alzando una serie di obiezioni alle ipotesi illustrate nell’articolo.
Se venisse confermato che il Sole emette assioni, allora sarebbe logico supporre che lo faccino tutte le stelle. Questi assioni allontanandosi dalla loro origine, si porterebbero via una piccola quantità di energia dalla stella, come il vapore che sale da una pentola d’acqua in ebollizione porta via una piccola quantità di calore.
In stelle molto calde come le giganti rosse e le nane bianche, dove la produzione di assioni dovrebbe essere massima, questa perdita di energia sarebbe sufficiente per raffreddare le stelle molto più velocemente di come pensiamo. “Una nana bianca produrrebbe così tanti assioni che oggi non vedremmo così tante nane bianche calde come invece facciamo”, ha detto Zurek.
I neutrini con grandi momenti magnetici sono ugualmente improbabili: rispetto ai neutrini standard, molti di essi verrebbero prodotti spontaneamente all’interno delle stelle, eliminando più energia delle stelle e raffreddando le stelle calde più di quanto si osservi.
Ma questa logica potrebbe essere imperfetta, o qualche altra particella o effetto potrebbe spiegare l’urto di XENON1T. Fortunatamente la comunità dei fisici non dovrà aspettare a lungo per le risposte; Il successore di XENON1T, l’esperimento XENONnT – che monitorerà i rinculi in 8,3 tonnellate di xenon – è sulla buona strada per iniziare la raccolta dei dati entro la fine dell’anno. “Se l’eccesso di eventi si confermerà e sarà allo stesso livello“, ha dichiarato Grandi, allora “ci aspettiamo di essere in grado di discriminare tra [le possibilità] in pochi mesi di acquisizione dei dati“.
Una cosa è chiara“, ha commentato Juan Collar, un fisico che si occupa di ricerca sulla materia oscura all’Università di Chicago che non è coinvolto nell’esperimento. “Il programma XENON continua a brillare nel campo della materia oscura. L’esperimento più sensibile sarà il primo a imbattersi nell’imprevisto, e XENON continua a dimostrare di essere ancora all’avanguardia“.
Secondo Tien-Tien Yu, fisico dell’Università dell’Oregon, non coinvolto nell’esperimento XENON, che ha rilasciato un commento alla rivista online Live Science, una possibile conferma dell’ipotesi degli assioni solari dovrebbe essere presa sul serio: cambiamenti stagionali nei dati.
Se il segnale provenisse effettivamente da assioni solari, potremmo aspettarci una modulazione del segnale al variare delle stagioni a causa della posizione relativa del Sole rispetto alla Terra“, ha detto. Man mano che il nostro pianeta si allontana dalla sua stella percorrendo la sua orbita, il flusso di assioni solari dovrebbe indebolirsi, mentre quando la Terra si avvicina al sole il segnale dovrebbe diventare più forte.
Secondo i ricercatori di Xenon, perl, nessuna variazione stagionale è stata rilevata nel segnale XENON1T. Il segnale è troppo debole e l’esperimento è durato troppo poco, solo due anni, perché XENON1T possa avere raccolto eventuali variazioni stagionali.
Insomma, siamo davvero sul punto di dovere inventare una nuova fisica o si tratta dell’ennesimo falso allarme?
Ce lo dirà XENONnT nel giro di un paio d’anni.
Fonte: https://www.science.purdue.edu/