Gli assioni possono aiutarci nella ricerca della materia oscura

Gli scienziati che studiano la vera identità della materia oscura stanno trovando nuove prove a sostegno di un candidato principale: strane particelle chiamate gli assioni.

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a cura di Alessandro Crea

Da quando l'esistenza della materia oscura è stata dedotta per la prima volta nel 1933, è rimasta sfuggente per gli scienziati di tutto il mondo. Si pensa che comprenda circa l'85% di tutta la materia nell'universo, ma ciò che la materia oscura è in realtà rimane un mistero. Tuttavia alcuni ricercatori pensano che la materia oscura potrebbe in realtà essere una strana particella chiamata assione.

L'assione è un'ipotetica particella elementare che ha sia bassa massa che bassa energia. È stato proposto per la prima volta come particella ipotetica nel 1977 come soluzione ad alcuni problemi delle particelle. Nel 2020, un team di fisici ha trovato la prima prova diretta per gli assioni. Ciò ha ha indotto molti a supporre che l'assione potesse essere il miglior candidato per la materia oscura.

"La materia oscura è la maggior parte della materia nell'universo, e non abbiamo idea di cosa sia. Una delle domande più importanti in tutta la scienza è: 'Cos'è la materia oscura?'" ha affermato in una dichiarazione Benjamin Safdi, un assistente professore di fisica presso l'Università della California, Berkeley e autore principale di un nuovo studio che indaga sugli assioni.

"Sospettiamo che l'assione sia una nuova particella che non conosciamo. Potrebbe essere stato creato in abbondanza nel Big Bang per poi fluttuare là fuori" ha aggiunto Safdi. La sua esistenza potrebbe spiegare le rilevazioni e le varie osservazioni che sono state fatte in tanti anni dagli astrofisici.

In due nuove recensioni pubblicate sulla rivista Science Advances il 23 febbraio, i ricercatori descrivono come l'assione sia diventato un candidato leader per la materia oscura e come i fisici potrebbero continuare a studiare la particella e forse spiegare il mistero della materia oscura.

Fino ad ora, un particolare candidato alla materia oscura è stato in testa al gruppo: WIMP, che sta per particelle massicce debolmente interagenti. I WIMP sono un termine generico che descrive particelle ipotetiche che interagiscono solo molto debolmente con la materia attraverso la forza nucleare debole. Si prevede che i WIMP siano 1-1.000 volte più pesanti dei protoni.

Tuttavia, nonostante il loro status di candidato principale, "negli ultimi anni, i WIMP non si sono presentati all'LHC, non si sono presentati nelle ricerche dirette di materia oscura", ha affermato Ellis. Quindi, con i WIMP che perdono il loro lustro come candidato, "abbiamo pensato che [questo] sarebbe stato un buon momento per catturare in qualche modo questo spostamento di attenzione", ha detto Ellis a proposito di questa indagine sugli assioni.

Ellis ha aggiunto che ha ancora interesse per i WIMP, ma che è anche ragionevole pensare ad altri candidati. Secondo le recensioni, il team suggerisce che potrebbero finalmente "catturare" l'assione e confermare la sua esistenza prevedendo la sua massa.

Nelle due nuove revisioni, i ricercatori suggeriscono una serie di approcci diversi che i fisici potrebbero adottare sia nel prevedere la massa dell'assione che nello studiarlo come candidato per la materia oscura. Questi approcci includono l'uso di aloscopi, strumenti che "possono influenzare i segnali di fotoni a microonde dagli assioni nel nostro alone galattico", secondo il documento. (Un alone galattico è una grande regione sferica dello spazio attorno a una galassia che si estende oltre la semplice materia visibile).

Gli scienziati si aspettano che gli assioni si convertano in un'onda elettromagnetica in una cavità a microonde durante un esperimento come questo, anche se sarebbe molto raro. E così, sarebbero in grado di rilevare quell'onda.

Ma i ricercatori suggeriscono una serie di altri metodi che i fisici attualmente usano e potrebbero potenzialmente usare per individuare gli assioni. Questi includono l'uso di telescopi terrestri, l'uso del CERN Axion Search Telescope (CST) per rilevare assioni prodotti nel nucleo del sole, o anche individuare assioni nella magnetosfera delle stelle di neutroni dove si pensa che si convertano in fotoni e lascino dietro di sé caratteristiche spettrali distinte. Questi sono tra i molti suggerimenti diversi che le due recensioni fanno.

Mentre i ricercatori nelle due revisioni esplorano la tecnologia all'avanguardia che potrebbe consentire agli scienziati di rilevare gli assioni, una delle tecniche di caccia agli assioni più popolare fino ad oggi è stata quella di cercare di rilevare le onde elettromagnetiche in una cavità a microonde.

Ma, nel secondo nuovo studio, pubblicato il 25 febbraio sulla rivista Nature Communications, i ricercatori hanno utilizzato uno dei più grandi supercomputer del mondo presso il National Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab per simulare quando gli assioni sarebbero stati creati quasi immediatamente dopo il Big Bang.

Nella loro simulazione, il team è stato in grado di tenere conto della massa totale di materia oscura nell'universo e del numero totale di assioni prodotti. Ciò ha permesso loro di stimare quale potrebbe essere la massa dell'assione.

Hanno scoperto che la massa dell'assione sarebbe più del doppio di quanto i teorici si aspettassero: 40-180 microelettroni volt (approssimativamente equivalenti a un 10 miliardesimo della massa di un elettrone, secondo una dichiarazione). "Il nostro lavoro fornisce la stima più precisa fino ad oggi della massa dell'assione e indica una gamma specifica di masse che non è attualmente in fase di esplorazione in laboratorio", ha spiegato Safdi.

Il team ha anche scoperto che gli assioni potrebbero produrre un'onda elettromagnetica a una frequenza più alta del previsto, una frequenza che è tipicamente al di fuori della gamma degli esperimenti progettati per rilevare le onde EM assionali.

"Con questi esperimenti con gli assioni, non sanno a quale stazione dovrebbero sintonizzarsi, quindi devono scansionare molte possibilità diverse", ha dichiarato Safdi a proposito degli esperimenti alla ricerca delle onde lasciate dagli assioni.

"Puoi pensare a stringhe composte da assioni che abbracciano i vortici mentre queste corde si muovono formando loop, collegandosi, subendo molti violenti processi dinamici durante l'espansione del nostro universo, mentre gli assioni che abbracciano i lati di queste corde stanno cercando di resistere alla corsa", ha spiegato Safdi. "Ma quando succede qualcosa di troppo violento, vengono semplicemente frustati via da queste corde. E quegli assioni che vengono gettati dalle corde finiscono per diventare la materia oscura molto più tardi."

Il team non ha risolto il problema della materia oscura o il dilemma dell'assione, ma poiché sempre più ricercatori continuano a spingersi avanti con questo tipo di sperimentazione, la scienza si sta avvicinando sempre più, nel suo complesso, a comprendere meglio cosa potrebbero essere esattamente queste ipotetiche particelle e, in definitiva, cos'è la materia oscura.