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La "nuova Fisica" si fa desiderare...

Il rivelatore LUX-100 in fase di assemblaggio
Il rivelatore LUX-100 in fase di assemblaggio LUX / Sanford Underground Research Facility

I recenti risultati negativi sulla ricerca di materia oscura nella miniera di Davis e sulla generazione di nuove particelle esotiche al LHC di Ginevra gettano ombre sulla possibilità di andare oltre il modello standard in tempi brevi.

 Addendum (10 agosto): un amico esperto nel settore della Dark Matter mi ha segnalato alcune informazioni incomplete nell'articolo, alle quali ho cercato di rimediare con qualche modifica; mi scuso con i lettori per l'inconveniente!

 Il cosiddetto modello standard è un paradigma per la fisica moderna: al suo interno trovano posto tutte le particelle elementari e le forze fondamentali note; la scoperta del bosone di Higgs, poi, 4 anni fa ne ha decretato il definitivo successo. Tuttavia i fisici sanno da anni che alcune proprietà dell'universo non possono essere spiegate in questo quadro e richiedono l'avvento di una "nuova fisica" che vada oltre il modello standard, spiegando l'esistenza della materia e dell'energia oscure.

 Come noto, l'esistenza della materia oscura è stata ipotizzata nel secolo scorso per spiegare il bizzarro comportamento dinamico delle stelle nelle regioni periferiche delle galassie (compresa la via lattea) e anche delle galassie negli ammassi di galassie. La velocità di questi corpi, infatti, era troppo alta per mantenere stabile la struttura assumendo che la massa fosse costituita dalla sola materia ordinaria. In seguito ulteriori conferme indipendenti sono giunte da misure sulla radiazione cosmica di fondo e dalle lenti gravitazionali; persino le simulazioni numeriche sulla nascita delle grandi strutture dell'universo necessitano del contributo fondamentale di materia oscura. Per giustificare le osservazioni, questa materia oscura deve essere "fredda", dunque costituita da particelle di grande massa, debolmente interagenti con la materia, le cosiddette WIMPs (weekly interacting particles). Inizialmente gli sforzi si sono concentrati su particelle di grande massa (decine di volte quella del protone) ma adesso si va affermando sempre di più possibilità che si tratti di particelle più leggere "supersimmetriche" o altri tipi di particelle "esotiche" previste da teorie che cercano di andare oltre il modello standard; tra i possibili candidati, ci sono i neutrini sterili e gli assioni, ipotetiche particelle molto leggere che possono tramutarsi in fotoni.

 Le speranze neanche troppo celate della comunità scientifica a questo riguardo sono andate finora deluse ma, negli ultimi tempi, erano circolate delle voci incoraggianti da alcui esperimenti. Andiamo con ordine...

 Indizi di possibili interazioni con particelle WIMP erano arrivati dagli esperimenti CDMS 2, CRESST, DAMA e CoGeNT, suggerendo l'esistenza di possibil WIMPs con una massa di circa 10 GeV/c2 (10 volte quella d un protone); in realtà, i risultati di CRESST erano già stati smentiti l'anno scorso, dopo un riesame dei dati, mentre le variazioni stagionali di DAMA (che suggeriscono il movimento della Terra attraverso un "mare" di WIMPs massicce, nella regione 10-50 Gev) sono ancora oggetto di discussioni. Inoltre, come abbiamo accennato anche in queste pagine, i dati raccolti da LHC durante il 2015 contenevano indizi di una nuova possibile particella non prevista dal modello standard, con massa intorno a 750 GeV/c2 (6 volte il bosone di Higgs); questa "risonanza", come la chiamano i fisici, decadeva poi in una coppia di fotoni.

 Invece, due annunci fatti nelle ultime settimane hanno gettato l'ennesima doccia fredda sulle aspettative di una "nuova fisica". Andiamo con ordine.

 Intorno al 20 luglio si è svolta a Sheffield, in UK, l'undicesima conferenza su "Identification of Dark Matter" (IDM2016); in questa occasione, sono stati presentati gli attesissimi risultati dell'asperimento LUX (Large Underground Xenon experiment), ritenuto il più sensibile rivelatore di particelle WIMP. Situato nel Sud Dakota in una ex miniera d'oro a circa 1500 metri di profondità, l'esperimento utilizza 100 kg "utili" di Xeno purissimo, su un totale di 250 kg che riempiono il contenitore (visibile nell'immagine di apertura); 122 fotomoltiplicatori (visibili anch'essi nella foto) ricoprono il soffitto e il pavimento del contenitore e rivelano eventuali lampi di luce prodotti da interazioni degli atomi di Xeno con le WIMPs.

Luxor

Limiti sulla "sezione d'urto" delle interazioni WIMPs-nucleone al variare della massa dei WIMP. - Credit:A. Manalaysay, LUX: IDM2016

 Come si vede nel grafico qui sopra, i risultati ottenuti con il rivelatore LUX dopo 332 giorni di osservazioni pongono un limite superiore al tasso di interazioni dei WIMPS con i nuclei atomici di materia ordinaria (linea nera in grassetto), molto più stringente dei precedenti esperimenti; tra questi ci sono anche le precedenti "edizioni" di LUX (fatte su finestre temporali più brevi) e ci sono anche Darkside, e Xenon100, entrambi installati ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS); Xenon100 è per molti versi analogo al rivelatore LUX e di lui abbiamo già parlato un anno fa.

 La seconda "delusione" viene da Chicago, dove la settimana scorsa si è svolta la "International Conference on High Energy Physics" (ICHEPS 2016). I fisici del CERN hanno presentato i risultati di LHC in oltre 100 differenti lavori, molti basati su i nuovi dati raccolti nel 2016 all'energia di 13 TeV (Tera-elettronVolt) con una "luminosità" molto maggiore che in precedenza. In effetti, in Giugno il grande acceleratore ha raggiunto e superato la frequenza di impatti per cui era stato progettato (1 miliardo al secondo) e questo ha permesso di raccogliere, dall'inizio dell'anno, 25 PB (Petabytes) di dati, 5 volte quanto collezionato lo scorso anno!

 Analizzando questo campione molto più significativo, proveniente dagli esperimenti Atlas e CMS, si è potuto concludere che, anche in questo caso, la presunta particella da 750 GeV era in realtà frutto di una fluttuazione statistica e quindi non è reale.

 Naturalmente la ricerca continua: agli LNGS sta per entrare in funzione l'evoluzione Xenon 1T, che in due settimane di osservazione dovrebbe superare i risultati di LUX, mentre a Sanford è già stato proposto il successore di LUX che dovrebbe vedere la luce tra 4 anni; si tratta del rivelatore di seconda generazione "Lux-Zeplin", con 7 tonnellate di Xeno. Secondo quanto dichiarato da Dan McKinsey (University of California, Berkeley), "se non riusciremo a rivelare i WIMPs con gli esperimenti pianificati di qui a 15 anni, allora potremo concludere che la materia oscura non è fatta di queste particelle”.

 Anche a Ginevra il lavoro va avanti: "LHC è realmente entrato in un nuovo regime raggiungendo la sua luminosità nominale, adesso superata del 20%" ha dichiarato il direttore della sezione acceleratori e tecnologie del CERN Frederick Bordry; "è un grosso risultato e siamo confidenti di superare i nostri obiettivi durante il secondo run di LHC".

 

Riferimenti:
- https://home.cern/about/updates/2016/08/chicago-sees-floods-lhc-data-and-new-results-ichep
-
http://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/no-dark-matter-from-lux-experiment/

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Marco Di Lorenzo (DILO)

Sono laureato in Fisica e insegno questa materia nelle scuole superiori; in passato ho lavorato nel campo dei semiconduttori e dei sensori d'immagine. Appassionato di astronautica e astronomia fin da ragazzo, ho continuato a coltivare queste passioni sul web, elaborando e pubblicando numerose immagini insieme al collega Ken Kremer. E naturalmente amo la fantascienza e la fotografia!

Sito web: https://www.facebook.com/marco.lorenzo.58
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