La ricerca di particelle che possano spiegare la materia oscura rappresenta una delle sfide più affascinanti della fisica contemporanea. Tra i candidati più promettenti ci sono gli assioni, particelle subatomiche teorizzate ma mai osservate direttamente, che potrebbero costituire una parte significativa della massa mancante dell'universo. Ora, un gruppo internazionale di fisici guidato da Jure Zupan dell'Università di Cincinnati propone una strada inedita per produrre queste sfuggenti particelle: sfruttare i reattori a fusione nucleare di nuova generazione. Lo studio, pubblicato sul Journal of High Energy Physics, rappresenta un ponte inatteso tra la ricerca sulla materia oscura e lo sviluppo di tecnologie energetiche avanzate.
La materia oscura costituisce circa l'85% della massa totale dell'universo, eppure non emette né assorbe luce, rendendosi invisibile ai nostri strumenti di osservazione diretta. La sua esistenza è dedotta dagli effetti gravitazionali che esercita su galassie e ammassi stellari: le velocità di rotazione delle galassie e i movimenti anomali delle stelle al loro interno suggeriscono la presenza di enormi quantità di materia non visibile. Tra le ipotesi più accreditate nella comunità scientifica c'è quella che la materia oscura sia composta da assioni, particelle estremamente leggere previste da alcune estensioni del Modello Standard della fisica delle particelle.
Il team di ricercatori, che include scienziati del Fermi National Laboratory, del Massachusetts Institute of Technology e del Technion-Israel Institute of Technology, ha analizzato il funzionamento dei reattori a fusione di tipo tokamak, in particolare quelli progettati nell'ambito della collaborazione internazionale ITER nel sud della Francia. Questi impianti utilizzano deuterio e trizio come combustibile all'interno di una camera rivestita di litio, producendo enormi quantità di neutroni ad alta energia insieme all'energia generata dalla fusione.
Secondo le elaborazioni teoriche del gruppo, proprio questi neutroni potrebbero innescare processi di produzione di assioni o particelle simili attraverso due meccanismi distinti. Il primo coinvolge le interazioni dei neutroni con i materiali delle pareti del reattore: le reazioni nucleari risultanti potrebbero portare alla creazione di particelle appartenenti al cosiddetto "settore oscuro", termine con cui i fisici indicano l'insieme ipotetico di particelle che non interagiscono con la materia ordinaria se non attraverso la gravità. Il secondo meccanismo sfrutta il fenomeno della bremsstrahlung, letteralmente "radiazione di frenamento", che si verifica quando i neutroni rallentano colliding con altre particelle, rilasciando energia sotto forma di radiazione.
La metodologia proposta da Zupan e colleghi si distingue nettamente dai tentativi precedenti di rilevare assioni prodotti naturalmente nel Sole. Come ha spiegato il fisico dell'Università di Cincinnati, la probabilità che assioni provenienti dalla nostra stella raggiungano la Terra in quantità rilevabili è statisticamente superiore a quella di produrli artificialmente replicando i medesimi processi solari in un reattore terrestre. Tuttavia, i reattori a fusione offrono l'opportunità di attivare canali di produzione alternativi, specificamente legati alle peculiari condizioni create dall'interazione dei neutroni ad alta energia con i materiali strutturali dell'impianto.
Curiosamente, questa stessa problematica era stata affrontata, seppur in forma semplificata, nella sitcom scientifica "The Big Bang Theory" durante la quinta stagione trasmessa tra il 2011 e il 2012. In tre episodi della serie, i personaggi di Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter tentavano invano di risolvere proprio la questione della produzione di assioni nei reattori a fusione. Le lavagne visibili sullo sfondo mostravano equazioni reali relative alla produzione di assioni nel Sole e calcoli comparativi con i reattori terrestri, completati da una eloquente faccina triste disegnata a margine per simboleggiare il fallimento del tentativo teorico.
Il lavoro pubblicato dal gruppo di Zupan rappresenta dunque non solo un avanzamento nella comprensione teorica di come potrebbero essere prodotti gli assioni, ma anche una dimostrazione di come installazioni progettate primariamente per scopi energetici potrebbero trasformarsi in strumenti di fisica fondamentale. I reattori ITER di prossima generazione, una volta operativi, potrebbero quindi svolgere un duplice ruolo: fornire energia pulita da fusione e fungere da sorgenti controllate di particelle esotiche per la ricerca sulla materia oscura.
Le implicazioni pratiche di questa ricerca rimangono naturalmente condizionate alla realizzazione effettiva di reattori a fusione funzionanti e alla conferma sperimentale della produzione di assioni attraverso i meccanismi ipotizzati. La rilevazione diretta di queste particelle richiederebbe inoltre lo sviluppo di rivelatori estremamente sensibili, data la debolissima interazione prevista tra assioni e materia ordinaria. Tuttavia, l'approccio proposto apre una prospettiva innovativa nella caccia alla materia oscura, suggerendo che le future infrastrutture energetiche potrebbero diventare inaspettati laboratori per esplorare i misteri più profondi dell'universo.
