Rilevato segnale misterioso da un chilometro sotto terra: è la materia oscura?

Per quasi un secolo la materia oscura è rimasta la grande incompiuta della fisica: un’entità che pesa quanto basta per tenere insieme le galassie, ma che nessuno strumento è mai riuscito a “vedere” direttamente. Ora qualcosa potrebbe essere cambiato. 

Un gruppo internazionale di fisici che lavora all’esperimento LUX-ZEPLIN (LZ) ha annunciato di aver registrato un singolo evento di interazione particellare che, al momento, non trova una spiegazione soddisfacente tra i normali segnali di fondo generati dalla materia ordinaria. Non si tratta ancora di una scoperta conclamata, ma – dicono gli stessi ricercatori – è il segnale più convincente mai raccolto finora da questo rivelatore.

Che cos’è la materia oscura e perché è così difficile da trovare

La materia oscura è una sostanza invisibile che costituisce circa l’85% della massa dell’universo, ma non è mai stata rilevata direttamente. Determinare di cosa sia fatta resta una delle domande più aperte della fisica contemporanea. Per decenni l’ipotesi favorita è stata quella delle WIMP, le particelle massicce a interazione debole: oggetti che interagirebbero con la materia normale solo tramite la forza debole e la gravità, rendendo estremamente rari — e quindi difficilissimi da osservare — i loro urti con gli atomi ordinari. Con il passare degli anni, però, rivelatori sempre più sensibili non hanno trovato nulla, spingendo parte della comunità scientifica a guardare con crescente interesse a ipotesi alternative, dalle particelle più esotiche fino a modifiche delle leggi della gravità stessa.

L’esperimento LUX-ZEPLIN: un occhio scavato nella roccia

LZ è una collaborazione internazionale che riunisce circa 250 scienziati e ingegneri provenienti da 39 istituzioni, gestita dal Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell’Energia statunitense. Dello studio in corso parla un dettagliato articolo pubblicato da NewScientist.

Il rivelatore si trova a quasi un chilometro e mezzo di profondità, presso il Sanford Underground Research Facility nel South Dakota, dove un miglio di roccia sovrastante lo protegge dai raggi cosmici provenienti dallo spazio, mentre ulteriori rivelatori esterni schermano il nucleo centrale dai neutroni di fondo. Secondo quanto riportato dal team, l’intero apparato è stato costruito dentro una grande vasca d’acqua sul fondo di un’ex miniera d’oro proprio per ridurre al minimo ogni possibile fonte di disturbo.

Lo strumento utilizza circa dieci tonnellate di xeno liquido ultrapuro ed è ottimizzato per la ricerca delle WIMP: se una particella di materia oscura dovesse urtare un nucleo di xeno, potrebbe produrre un debolissimo lampo di luce, il segnale che i ricercatori scrutano incessantemente tra il rumore di fondo.

Il segnale anomalo osservato

L’evento al centro dell’annuncio dei ricercatori è un singolo urto, registrato il 16 giugno 2023 nell’ambito di una campagna di raccolta dati durata 220 giorni, tra marzo 2023 e aprile 2024. Secondo quanto riferito, il segnale ha una significatività statistica di 2,6 sigma, il che significa che i ricercatori non possono ancora escludere che sia stato prodotto da un raro processo di fondo. 

Il gruppo di Northwestern che ha contribuito all’analisi ha stimato che esista solo lo 0,5% di probabilità che l’evento anomalo provenga da una fonte nota; è una percentuale bassa, ma ancora troppo alta per parlare di scoperta scientifica in senso stretto.

Un dettaglio che ha colpito i fisici è che l’evento è comparso proprio nella regione dei dati in cui ci si aspetterebbe di osservare interazioni da materia oscura, in una zona dove i segnali di fondo concorrenti erano particolarmente bassi. Come ha spiegato uno dei responsabili della collaborazione, Tom Shutt, professore di fisica delle particelle e astrofisica alla Stanford University e allo SLAC, il punto di forza di questo esperimento è nella straordinaria purezza del rivelatore, unita alla capacità di distinguere i segnali di fondo dovuti a tracce di radioattività da un eventuale segnale autentico di materia oscura, un traguardo che rappresenta, a suo dire, il vero banco di prova per l’intera collaborazione.

Perché la comunità scientifica resta cauta

Nonostante l’entusiasmo, i ricercatori insistono sulla prudenza. La comunità dei fisici delle particelle utilizza da tempo una soglia molto rigorosa — la cosiddetta “scoperta a 5 sigma” — prima di poter dichiarare confermato un nuovo fenomeno; il segnale di LZ, fermo a 2,6 sigma, è ancora lontano da quella soglia. Non è la prima volta che un rivelatore di materia oscura registra qualcosa di sospetto: l’esperimento italiano DAMA/LIBRA, ad esempio, ha da anni segnalato una variazione annuale nei propri dati che i suoi ricercatori attribuiscono alla materia oscura, ma che nessun altro laboratorio è mai riuscito a replicare in decenni di tentativi. Secondo la fisica Elisabetta Barberio, il segnale rilevato da LUX-ZEPLIN sarebbe però di natura molto diversa e, potenzialmente, più facile da ricondurre effettivamente alla materia oscura rispetto ai casi precedenti.

Per questo motivo, secondo quanto dichiarato dalla ricercatrice Jacinta Newstead, ci vorranno probabilmente diversi mesi prima che altri esperimenti possano verificare i dati e confermare — o smentire — l’ipotesi.

I prossimi passi

I risultati sono stati presentati nei giorni scorsi alla conferenza TeV Particle Astrophysics 2026 in Giappone. Nel frattempo, altri grandi esperimenti concorrenti nella caccia alla materia oscura — come DarkSide-20k, il rivelatore ad argon liquido che ha appena iniziato la presa dati e punta a raggiungere sensibilità senza precedenti nel prossimo decennio — continueranno a raccogliere dati propri, nella speranza di intercettare segnali compatibili con quello osservato da LZ.

Se il segnale dovesse essere confermato da ulteriori osservazioni indipendenti, si tratterebbe della prima rilevazione diretta della materia oscura nella storia della fisica: una scoperta che aprirebbe letteralmente una nuova era nello studio dell’universo, permettendo finalmente di capire di cosa sia fatta la componente più abbondante — e più misteriosa — di tutta la materia esistente.