I laboratori nazionali del Gran Sasso
Un eccesso di 53 eventi rispetto ai 232 attesi. Abbastanza per credere che non siano una mera fluttuazione statistica. E, dunque, quei brillamenti in eccesso sono con buona probabilità dovuti all’interazione tra una particella – forse esotica – e lo xeno liquido dell’esperimento XENON1T, presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LMGS): tra i più grandi laboratori al mondo. Diciamo subito che quegli eventi in eccesso potrebbero essere assioni, particelle mai viste prima ma contemplati da alcune teorie che vanno oltre il Modello Standard delle Alte Energie. Fosse confermata questa ipotesi, si tratterebbe di una scoperta tra le più eccitanti nella fisica degli ultimi decenni e degna del premio Nobel.
Ma andiamo con ordine. In primo luogo l’esperimento XENON1T, che consiste in una grossa quantità – 3,2 tonnellate – di xeno purissimo. Lo xeno è un “gas nobile”, ma nei laboratori del Gran Sasso è tenuto allo stato liquido. Due di quelle tonnellate servono per il rivelatore di particelle vero e proprio. Quando una particella proveniente dall’esterno interagisce con lo xeno produce un piccolo segnale luminoso e libera degli elettroni, che possono essere rilevati. L’esperimento si tiene sotto il Gran Sasso per ridurre al massimo il numero di particelle in grado di raggiungere il rivelatore. Ecco perché di interazioni ne erano attese 232. Ed ecco perché averne rilevate 285 ha creato una giusta agitazione e costretto i fisici a uno sforzo di interpretazione.
Lo scorso 17 giugno in un seminario on line la portavoce e, dunque, leader dell’esperimento, Elena Aprile, ha dato la notizia di questa anomalia e proposte le interpretazioni possibili. Che sono quattro. La prima è che si è trattato di una mera fluttuazione statistica: ma gli scienziati dello XENON1T calcolano che questa ipotesi ha una probabilità molto bassa: 2 su 10.000.
La seconda interpretazione è che si tratti di piccole contaminazioni nel bagno di xeno, in particolare di tritio (l’isotopo più pesante dell’idrogeno. Gli eventi sono compatibili con questa ipotesi con una significanza pari a 3,2 sigma: nel gergo della statistica usata dai fisici sperimentali si tratta di un valore piuttosto alto.
Una terza interpretazione è che si tratti di neutrini con un momento magnetico più alto di quello previsto dal Modello Standard. Se questa ipotesi è quella giusta, comunque comporterebbe una revisione del Modello. Anche quella del modello magnetico del neutrino ha una significanza pari a 3,2 sigma.
Ma la quarta interpretazione è la più eccitante. La misura è infatti compatibile con interazioni dovute ad assioni: particelle previste da alcune teorie che vanno oltre il Modello Standard. La significanza di questa quarta ipotesi è la più alta: 3,5 sigma. Diciamo subito che si tratta di una probabilità alta, ma non ancora altissima, come quella che vogliono i fisici. Per cui, come sostiene Marco Salvi, responsabile nazionale INFN dell’esperimento, in una dichiarazione raccolta dall’ufficio comunicazione dello stesso INFN: «Per comprendere meglio la natura di questo eccesso sarà determinante il potenziamento del rivelatore con la nuova fase chiamata XENONnT». Il rivelatore potenziato inizierà ad acquisire dati alla fine di quest’anno, per cui non ci resta che attendere.
Tuttavia possiamo cercare di capire la ragione di questa (giusta) eccitazione. Il rilevamento degli assioni risolverebbe due grossi problemi della fisica dei nostri giorni: la necessità di superare il Modello Standard e la necessità si spiegare di cosa è mai fatta la materia oscura: una materia di cui “sentiamo” il peso nell’universo (è un quinto della materia totale) ma di cui non conosciamo la natura.
Iniziamo dal Modello Standard delle Alte Energie. Dopo la scoperta, nel 2012, del bosone di Higgs il quadro di questo affresco è composto. Non c’è più un buco. Peccato che esso non copre tutto il panorama. Come direbbe William Shakespeare: i sono più cose in cielo e in terra di quante ne sogni la filosofia del Modello Standard. In particolare cinque sono le evidenze, una teorica le altre quattro empiriche, che non tornano.
In primo luogo l’interazione gravitazionale. O, se volete, l’estrema difficoltà a conciliare le due grandi colonne su cui regge la fisica contemporanea: la relatività generale di Einstein e la MQ, la meccanica quantistica. I teorici cercano una “teoria del tutto”, una teoria unificata della fisica e da almeno un secolo (pioniere sempre Einstein) non ci riescono.
Poi le quattro evidenze empiriche che il Modello Standard non spiega. La prima è la massa del neutrino. Il Modello prevede che questa elusiva particella – un leptone elettricamente neutro che interagisce pochissimo, quasi nulla con il resto della materia – dovrebbe avere massa pari a zero. E invece molti esperimenti, uno dei quali condotto proprio presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso in collaborazione col CERN di Ginevra, hanno dimostrato che la teoria dell’oscillazione di Bruno Pontecorvo è verificate e che, quindi, il neutrino una massa ce l’ha, per quanto piccolissima.
Un’altra evidenza empirica siamo noi stessi e tutto l’universo conosciuto, fatti come siamo di materia. Ma il Modello Standard prevede un’assoluta simmetria tra materia e antimateria. L’antimateria è costituita da particelle del tutto simili a quelle della materia, tranne che per la carica elettrica: uguale ma opposta. Per esempio: gli elettroni di antimateria, i positroni, non hanno carica elettrica -1, ma +1. Ora si dà il caso che quando particelle di materia e antimateria si incontrano si distruggono l’un l’atra – si annichilano, dicono i fisici – generando una grande quantità di energia. Quando è nato, il nostro universo ha prodotto (avrebbe dovuto produrre secondo le teorie in auge) un’eguale quantità di particelle di materia e di antimateria. Ma tutto l’universo e noi stessi siamo costituiti di materia. Perché? Cos’ha rotto la simmetria tra materia e antimateria? Non lo sappiamo. E nel Modello Standard non c’è risposta.
Sappiamo invece – perché l’abbiamo “pesata” con gli speciali strumenti che hanno a disposizione i fisici – che la materia adronica (quark) e leptonica (elettroni, neutrini) di cui siamo fatti noi, il nostro pianeta, il Sole e tutto quanto “vediamo” nell’universo costituisce appena il 14% della massa dell’universo. Tutto il resto, l’86% della massa cosmica, è costituita da “materia oscura”, di cui non conosciamo la natura. L’unica cosa che sappiamo – precisa Antonio Masiero – è che questa “materia oscura” non è e non può essere costituita da nessuna particella presente nel Modello Standard. È evidente, dunque, che devono esistere particelle dotate di massa “oltre il Modello Standard”.
Ma di oscuro nell’universo conosciuto non c’è solo la gran parte della materia. C’è anche “energia oscura”, di cui non conosciamo né la natura né l’origine. E ce n’è davvero tanta: costituisce il 70% dell’energia cosmica. Se a questo aggiungiamo che il 26% dell’energia dell’universo è costituito dalla “materia oscura”, arriviamo a un risultato abbastanza clamoroso: dopo secoli di ricerca conosciamo appena il 4% di ciò che forma l’universo. «Una situazione che, per noi fisici, è insieme imbarazzante ed eccitante», ci ha detto tempo fa Antonio Masiero, fisico teorico dell’Università di Padova.
C’è, dunque, un nuovo mondo là fuori da scoprire. Ma abbiamo qualche bussola, per orientarci? Lasciamo ancora una volta la parola ad Antonio Masiero, così come ci ha spiegato in un passato non molto lontano e sempre attuale. «Qualche bussola ce l’abbiamo. Quelle che stiamo cercando come candidate a spiegare quantomeno la “materia oscura” sono, tra altri candidati sia chiaro, le WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), particelle dotate di massa che interagiscono quasi nulla con la materia ordinaria».
Le WIMP sono un po’ come i neutrini, ma più pesanti dei neutrini. Tra queste particelle teorizzate e finora mai rilevate, ci sono proprio gli assioni. Se la scoperta del Gran sasso venisse confermata, avremmo fatto un bel passo avanti nel tentativo di andare “oltre il Modello Standard”.
Sia chiaro, quelli rilevati al Gran Sasso – se reali – sono assioni solari, prodotti dalla nostra stella, Non basterebbero a spiegare la gran quantità di “materia oscura” nell’universo. Ma ci sono molte ipotesi secondo cui il Sole non è la sola fonte possibile di assioni. Molte altre stelle li potrebbero produrre. E magari altre fonti che contribuirebbero in maniera parziale ma significativa a riempire della “materia oscura”.
Per adesso tutti i condizionali non sono risolvibili. Ma non dobbiamo fare altro che aspettare qualche mese e ne sapremo molto di più. Intanto i fisici non si lamentano affatto per questa eccitazione indotta. Anzi, loro aspettano “nuova fisica” come il pane.
