La caccia alla materia oscura, questa materia esotica ed invisibile che occupa gran parte dell’universo, è in corso sperimentalmente almeno dagli anni Novanta dello scorso secolo. Da allora i fisici si sono sempre più convinti della sua esistenza senza però riuscire ad osservarla.
Da cosa sia fatta esattamente la materia oscura è oggetto di un ampio e diversificato dibattito teorico nella comunità scientifica. Una delle ipotesi più attendibili è che la materia oscura sia costituita da WIMP, particelle massive debolmente interagenti. La massa di queste particelle esotiche potrebbe collocarsi tra quella del protone e 1000 volte tanto. Le WIMP interagirebbero con gli atomi “normali” soltanto attraverso la gravità e la forza nucleare debole.
Purtroppo nel corso degli anni gran parte degli esperimenti volti a rintracciare queste sfuggenti particelle sono falliti. E’ il caso della collaborazione internazionale XENON, sparsa su tre continenti, leader mondiale nella ricerca diretta di materia oscura. Gli esperimenti della collaborazione XENON, tutti ospitati nei Laboratori sotterranei del Gran Sasso (LNGS), adoperano rivelatori chiamati camere a proiezione temporale (TPC) per registrare l’interazione di particelle di materia oscura con un bersaglio di xeno liquido (LXe). Il primo rivelatore, XENON10 (2005), ed il suo successore, XENON100 (2009), hanno prodotto i migliori risultati al mondo per la ricerca diretta di materia oscura.
Questi esperimenti hanno “cancellato” almeno la metà delle teorie che prevedono come sono fatte le WIMP. Ma le ipotesi sulla natura della materia oscura non si fermano alle particelle massive debolmente interagenti. Un concorrente agguerrito è l’assione, particella molto più leggera, che di recente si è trasformata in un’intera categoria di possibilità, le cosiddette particelle di tipo assionico.
Nel 2005 uno studio sperimentale condotto nell’ambito del progetto PVLAS ha fornito risultati che indicherebbero la rilevazione di assioni, anche se successivi esperimenti hanno dato risultati opposti. I primi risultati di PVLAS sono in disaccordo anche con quelli di CAST, nonché con numerose teorie astrofisiche alternative. Un’altra teoria ancora in fase di implementazione prevede che la materia mancante sia costituita da buchi neri primordiali, formatisi subito dopo il Big Bang.
Nel frattempo la versione più recente dell’esperimento XENON, partita nel 2016, ha iniziato a raccogliere dati l’anno scorso. XENONnT per individuare le rarissime collisioni tra una particella di materia oscura e gli atomi normali utilizza un enorme vasca contenente 8,3 tonnellate di xenon in forma liquida.
Questa vasca è sepolta sotto oltre un chilometro di roccia per proteggerla dai raggi cosmici e da altre contaminazioni. La terza versione di questo esperimento presenta numerosi miglioramenti tra cui una maggiore purezza dello xenon e sistemi aggiornati per rilevare i raggi cosmici ed altri segnali falsi positivi. Nei prossimi anni XENON 3 terminerà di esplorare la maggior parte del panorama teorico delle WIMP.
A quel punto senza attendibili e sicure osservazioni questa teoria sarà definitivamente cancellata dal novero delle possibilità sulla natura costitutiva della materia oscura. In ogni caso la collaborazione XENON per il più basso livello di fondo mai raggiunto ha permesso a XENON1T di ottenere una sensibilità senza precedenti, tanto da essere anche capace di rivelare il processo più raro mai osservato dall’uomo: il decadimento da doppia cattura elettronica dello 124Xe.
