Sei anni di ricerca senza risultati: si restringono i modelli sulla materia oscura

Sei anni di osservazioni del cielo notturno, 546 ore di dati raccolti fra il 2014 e il 2020, e nulla. La collaborazione H.E.S.S. ha puntato i suoi cinque telescopi Cherenkov verso il cuore della Via Lattea cercando una firma che non c'è: il lampo di fotoni che dovrebbe tradire due particelle di materia oscura che si annichilano l'una con l'altra. I risultati, pubblicati ad agosto su Physical Review Letters e discussi di recente in rete, non hanno trovato il picco atteso. Ma il silenzio stesso parla.

La logica della ricerca è diretta. Se due WIMP — particelle massive debolmente interagenti, fra i candidati principali per spiegare la materia oscura — si scontrano e si distruggono, producono una coppia di fotoni con un'energia precisa, determinata dalla massa delle particelle originarie. Questa energia crea una riga spettrale monocromatica, una firma che nessun processo astrofisico ordinario può imitare. Il centro galattico è il luogo ideale per cercarla: è lì che la densità di materia oscura dovrebbe raggiungere il massimo, dove le probabilità di collisione fra particelle sono più alte. I cinque telescopi Cherenkov installati in Namibia ricostruiscono gli sciami di particelle generati nell'atmosfera dai raggi gamma, permettendo di analizzare il cielo in una banda di energia fra 300 gigaelettronvolt e 70 teraelettronvolt.

L'analisi è stata meticolosa. I dati sono stati divisi in 61 intervalli di energia e 25 regioni anulari concentriche, poi confrontati con un test statistico bidimensionale che incrocia sia l'informazione spettrale che quella spaziale. La risoluzione angolare raggiunge 0,06 gradi, la risoluzione energetica del 10% oltre i 300 gigaelettronvolt. I numeri finali fissano i vincoli più stretti mai ottenuti sulla sezione d'urto di annichilazione alla scala del multi-teraelettronvolt: circa un fattore due migliore rispetto al precedente risultato della stessa collaborazione, che si fermava a 254 ore di esposizione.

Le conseguenze per la fisica teorica sono significative. Assumendo un profilo di densità Einasto per l'alone della Via Lattea, il limite al 95 per cento di confidenza scende a 2,3 per 10 alla meno 26 centimetri cubi al secondo per una particella da 1 teraelettronvolt, e a 2,4 per 10 alla meno 26 centimetri cubi al secondo a 10 teraelettronvolt. Due modelli teorici — il Wino termico e il Quintuplet termico — risultano completamente esclusi per tutti i profili di alone considerati nella ricerca. L'Higgsino termico da 1,0 più o meno 0,1 teraelettronvolt, finora mai raggiunto da questo tipo di indagine, entra per la prima volta nel campo di sensibilità strumentale. Con il profilo Auriga la copertura si estende fino a circa 10 teraelettronvolt. I calcoli tengono conto dell'amplificazione di Sommerfeld, della formazione e del decadimento di stati legati, e del contributo di endpoint degli stati finali a tre o più corpi.

Ma la collaborazione H.E.S.S. avverte di una limitazione cruciale: questi vincoli pesano quanto il modello di densità che si decide di adottare. Il profilo dell'alone nei pressi di Sagittarius A*, il buco nero supermassiccio al centro della galassia, rimane materia di simulazione, non di misura diretta. La differenza fra una distribuzione a cuspide e una più piatta si traduce in differenze di ordini di grandezza nella sensibilità attesa. In altre parole, i risultati sono robusti dal punto di vista sperimentale, ma la loro interpretazione fisica dipende da assunzioni sulla struttura della materia oscura che ancora non possiamo verificare direttamente.

Questo è il punto in cui la ricerca si ferma e il dibattito continua. Sei anni di osservazioni hanno ristretto il campo dei modelli possibili, hanno escluso alcune strade teoriche, hanno spinto altri candidati verso i margini della sensibilità strumentale. Ma la materia oscura rimane oscura, e il centro della Via Lattea continua a custodire i suoi segreti.