Come si fa a pesare una particella di cui non si conosce l’esistenza?

La cosiddetta materia oscura costituisce l’85% del contenuto di massa dell’universo. I ricercatori lo chiamano “oscuro” perché non si nota nulla di esso – tranne la sua gravità. Tuttavia, questo può essere rilevato abbastanza bene. Senza la materia oscura, le galassie si muoverebbero diversamente da come dimostrano, e l’universo avrebbe una struttura diversa. Quindi i fisici hanno bisogno della materia oscura per spiegare il cosmo. Peccato che non sappiano ancora di cosa è fatto. Ci sono dei candidati: MACHOs (massicci oggetti compatti ad alone), WIMPs (particelle massive debolmente interagenti) e persino buchi neri invisibili dei primi giorni dell’universo. Ma finora, non sono stati trovati abbastanza esempi di nessuno di questi candidati per spiegare la materia oscura.

Ora entra in gioco l’assone. Anche se non è una WIMP in senso stretto, l’assone interagisce solo debolmente con la materia normale. Penetra nella terra senza problemi. Nel 1978, è stato proposto come una nuova particella elementare perché gli scienziati stavano cercando una spiegazione del perché lo spin (momento angolare) di un neutrone non precede o “oscilla” in un campo elettrico. Secondo la teoria, è l’assone che sopprime questa precessione nel neutrone.

Potrebbe anche essere un candidato per la materia oscura? Infatti – se ha la giusta massa. I primi tentativi di rilevare gli assoni sono stati fatti già negli anni ’80. Con l’aiuto delle equazioni della teoria ben collaudata delle interazioni delle particelle fondamentali, il cosiddetto Modello Standard, e la teoria del Big Bang, il Modello Standard cosmologico, è effettivamente possibile calcolare la massa esatta dell’assone. Ma le equazioni sono così complicate che finora sono disponibili solo stime molto variabili della massa dell’assone, che vanno da pochi μeV a 500 μeV. Gli assoni vengono cercati con l’aiuto di cavità a microonde, che sono fondamentalmente dei sofisticati ricevitori radio. Tuttavia, bisogna provare milioni di canali di frequenza per trovare quello che corrisponde (secondo l’equivalenza massa-energia di Einstein) alla massa dell’axion.

Finora, nessuno ha trovato l’assone in questo modo. È perché si sta cercando nell’area sbagliata? Questo è ciò che suggeriscono i nuovi risultati pubblicati su Nature Communications. Con l’aiuto di nuovi metodi di calcolo, un team internazionale ha simulato il momento in cui gli assoni avrebbero dovuto essere creati, cioè poco dopo che l’universo è entrato nella sua fase inflazionistica circa 10-35 s dopo il Big Bang. Questa fase di enorme espansione è durata fino a un tempo compreso tra 10-33 s e 10-30 s dopo il Big Bang. A circa 10-27 s, gli assoni potrebbero essere nati. La simulazione al Berkeley Lab’s National Research Scientific Computing Center (NERSC) ha rivelato che la massa dell’assione è più del doppio di quella precedentemente assunta dai teorici e dagli sperimentatori: tra 40 e 180 microelettronvolt (micro-eV o μeV), circa un decimiliardesimo della massa dell’elettrone. C’è la prova che la massa è vicina a 65 μeV.

“Abbiamo migliorato la gamma dinamica delle nostre simulazioni dell’assone di mille volte rispetto al lavoro precedente e abbiamo risolto una questione vecchia di 40 anni riguardante la massa dell’assone e la cosmologia dell’assone”, dice Benjamin Safdi della University of California, Berkeley. Il nuovo valore significa anche che il tipo di esperimento più comune fino ad oggi per rilevare queste particelle elusive – una camera di risonanza a microonde con un forte campo magnetico in cui gli scienziati sperano di rilevare la conversione di un axion in una debole onda elettromagnetica – non è efficace, non importa quanto si cerchi di ottimizzare l’esperimento. Questo perché la camera dovrebbe essere più piccola di qualche centimetro per rilevare l’onda a frequenza più alta di un assone più pesante, dice Safdi. Ma questo volume sarebbe troppo piccolo per catturare abbastanza axion perché il segnale superi il rumore.

Ma ci sono anche buone notizie: Un nuovo tipo di esperimento che cerca eccitazioni di axion in un metamateriale – un plasma allo stato solido – dovrebbe essere sensibile a una particella axion di questa massa e potrebbe potenzialmente rilevarla.

Un’altra istantanea della simulazione dell’universo primordiale. Qui, la densità di energia dell’assone varia da alta, gialla, a blu e rossa, fino a un punto basso in nero. (Immagine: Malte Buschmann, Princeton University)
In una simulazione dell’universo primordiale, poco dopo il Big Bang, filamenti simili a tornado (anello blu scuro) emettono particelle di assone. Questi assoni dovrebbero essere presenti ancora oggi e potrebbero essere la materia oscura che gli astrofisici stanno cercando (Immagine: Malte Buschmann, Princeton University)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris è un fisico e uno specialista dello spazio. Si è occupato a lungo di questioni spaziali, sia professionalmente che privatamente, e mentre voleva diventare un astronauta, è dovuto rimanere sulla Terra per una serie di motivi. È particolarmente affascinato dal "what if" e attraverso i suoi libri mira a condividere storie avvincenti di hard science fiction che potrebbero realmente accadere, e un giorno potrebbero accadere. Morris è l'autore di diversi romanzi di fantascienza best-seller, tra cui The Enceladus Series.

    Brandon è un orgoglioso membro della Science Fiction and Fantasy Writers of America e della Mars Society.