Materia oscura: la ricerca si rivolge all’assione
Di fronte ai risultati deludenti di altri candidati per spiegare la materia oscura, una particella immaginata più di 40 anni fa è tornata sotto i riflettori: l’assione.
È un viaggio che ci porta al crocevia tra cosmologia, astrofisica e fisica delle particelle. Iniziò nel 1933 con un’osservazione astrofisica: la materia visibile è insufficiente per spiegare i movimenti delle stelle nelle galassie e delle galassie negli ammassi di galassie. Bisogna aggiungere la materia “oscura”, invisibile, che interagisce poco con la materia normale. Sebbene rappresenti l’84% della densità totale della materia nell’universo, questa materia oscura rimane ancora oggi ipotetica e la sua natura rimane misteriosa: “ Se non sappiamo di cosa è fatta la materia oscura, ora sappiamo che non è qualcosa che già conosciamo », riassume Fabrice Hubot, direttore della ricerca del CNRS presso il Centro di fisica delle particelle di Marsiglia.
Tra i candidati c’è una particella chiamata assione. Inizialmente era stato proposto di risolvere una sfida completamente diversa, ma questa volta nel campo della fisica delle particelle.
Anche i parametri sono stati modificati
Il Modello Standard della fisica delle particelle è una teoria che descrive tutte le particelle osservate e le loro interazioni: finora gli esperimenti non hanno mai sbagliato, ma la sua formulazione presenta alcune limitazioni. In particolare, le osservazioni limitano il valore di alcuni parametri senza una spiegazione teorica sottostante. Ad esempio, negli anni ’70 abbiamo notato che uno dei parametri della teoria che governa la struttura e la stabilità degli atomi assumeva un valore molto piccolo.
Anche se non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura, ora sappiamo che non è qualcosa che già conosciamo.
Tuttavia, questo parametro ha due contributi: uno legato all’interazione forte che forma i nuclei degli atomi, e l’altro alla forza elettrodebole – che unifica l’elettromagnetismo e la forza responsabile del decadimento radioattivo delle particelle. ” Nel Modello Standard non esiste una relazione chiara tra queste due forze. Tuttavia, affinché il parametro sia prossimo allo zero, questi due contributi devono compensarsi completamente a vicenda. “, osserva Jérémie Quevillon, teorico del CNRS presso il Laboratorio di fisica e cosmologia subatomica.
Poi due fisici, l’italiano Roberto Picci e l’australiana Helen Quinn, hanno proposto un meccanismo per risolvere il cosiddetto problema della “CP forte”. Steven Weinberg e Frank Wilczek, che vinsero il Premio Nobel per la fisica per altri lavori, dedussero l’esistenza di una particella chiamata assione – dal nome di una marca di detersivo, perché la sua presenza “risolse” il problema!
Axion, candidato Jedi
Ma la storia non finisce qui. Una particella così progettata aveva accoppiamenti molto elevati con altre particelle del Modello Standard e poteva quindi essere osservata negli acceleratori di particelle dell’epoca. ” Questo asse è stato escluso dai dati dagli anni ’80dice Julien Laval, del Laboratorio di Cosmologia e Particelle di Montpellier. Passiamo quindi al modello dell’assione invisibile con un meccanismo per ridurre questi accoppiamenti problematici preservando le proprietà che soddisfano il problema della CP forte. » L’assione diventa quindi arbitrariamente leggero… rendendolo un eccellente candidato per la materia oscura con masse fino a un milionesimo di miliardesimo della massa di un protone. Ma queste caratteristiche ne rendono difficile il rilevamento.
” Gli assioni sono da 40 anni seri candidati per spiegare la materia oscura », sostiene Julien Laval. Ma ci sono altre particelle candidate. In particolare, Particelle massicce che interagiscono debolmente I WIMP sono stati proposti seguendo una storia simile a quella degli assioni, basata su un altro problema di fisica delle particelle, e hanno proprietà interessanti da osservare. A differenza degli assioni, le particelle massicce a interazione debole (WIMP) sarebbero più comunemente prodotte dal plasma primordiale alla nascita dell’universo, allo stesso modo della materia ordinaria. ” La ricerca si è quindi inizialmente concentrata sulle particelle massicce a interazione debole (WIMP), ma nessuna ha ancora portato a un monitoraggio affidabile. Pertanto oggi c’è un rinnovato interesse per gli assioni », conclude il ricercatore. Tanto più che il progresso tecnologico rende ora possibile immaginare il rilevamento della materia oscura sotto forma di assioni.
Metodi diretti e indiretti
Quando si cerca un assione, con la sua massa molto piccola, usare un acceleratore di particelle nella speranza di far interagire la particella con un atomo nel rivelatore – un metodo ampiamente utilizzato nelle particelle massicce che interagiscono debolmente – non funziona. Ma questa leggerezza significa anche che gli assioni devono essere presenti in numero molto maggiore rispetto alle particelle massicce che interagiscono debolmente (WIMP) per fornire la stessa massa della materia oscura. Quindi ci sarebbero diverse centinaia di miliardi di particelle per centimetro cubo. Si comportano quindi più come un’onda che come una singola particella, consentendo di prendere in considerazione altri metodi di rilevamento.
Per realizzare un buon aloscopio sono necessari tre componenti principali: un forte campo magnetico, un mezzo risonante a una temperatura molto bassa per evitare qualsiasi rumore termico e una buona amplificazione del segnale.
Il metodo principale utilizza l’accoppiamento degli assoni con i fotoni, che sono particelle elementari che trasmettono l’energia luminosa. strada ” contraddittorio “Jérémy Quevillon ride,” Perché per definizione non vediamo la materia oscura “. Grazie all’applicazione di un campo magnetico, sarà possibile convertire gli assioni in fotoni, che sappiamo studiare. Questo viene fatto utilizzando un dispositivo chiamato ‘aloscopio.'” Per realizzare un buon aloscopio sono necessari tre componenti principali: un forte campo magnetico, un mezzo risonante a una temperatura molto bassa (meno di 50 mK) per evitare qualsiasi rumore termico e una buona amplificazione del segnale. », racconta il ricercatore.
A sinistra, assemblaggio del prototipo Baby-GrAHal che deve funzionare a temperature molto basse. A destra, la nuova bobina dell’LNCMI (Laboratorio Nazionale Campi Magnetici Intensi), contenente un grande elemento superconduttore appena testato con successo (generando un campo magnetico di 8,5 Tesla in un volume di circa 1 metro cubo), offre uno spettacolo ineguagliabile di il potere di rilevamento che… GraAHal lo sfrutterà.
Tuttavia, i laboratori di Grenoble combinano competenze riconosciute a livello mondiale in questi tre campi. L’esperimento GrAHal (per Grenoble Axion Halscopes) sta attualmente raccogliendo i primi dati su un prototipo avanzato. Alla fine, la piattaforma integrerà più aloscopi che operano in parallelo. Infatti, il segnale viene amplificato utilizzando cavità risonanti che hanno lo svantaggio di dover essere modulate in base alla massa assunta dell’asse. Ciò richiede di raddoppiare il numero di aloni o di apportare modifiche costanti per eliminare tutti i blocchi possibili.
Il prototipo dell’esperienza MadMax.
” Idea di provare MadMaxCiò di cui ho la responsabilità in Francia è superare queste restrizioni “, spiega Fabrice Honneau. Questo nuovo tipo di risonatore si basa su una serie di specchi semitrasparenti che permetteranno all’onda elettromagnetica che è la luce di attraversarla e di essere riflessa: sovrapponendo le onde in questo modo, il segnale viene amplificato. Per testare diversi blocchi, sposta semplicemente gli specchi l’uno rispetto all’altro.
Cerchiamo segnali inspiegabili che potrebbero riflettere la conversione degli assioni in fotoni, ad esempio nell’alone della nostra Galassia dove dovrebbe trovarsi la materia oscura.
” Siamo ancora nella fase di ricerca e sviluppo con molte sfide a tutti i livelli: gli specchi devono essere molto lisci, il campo magnetico è intenso e l’attrezzatura necessaria per spostare gli specchi è molto precisa, il tutto a temperature molto basse. », avverte il fisico. MadMax è uno degli esperimenti attualmente in fase di sviluppo all’interno del Dark Matter Laboratory, lanciato ufficialmente nel giugno 2023. Questo laboratorio di ricerca internazionale collega il Centro nazionale per la ricerca scientifica con tre dei più prestigiosi istituti di ricerca tedeschi. Verranno testati diversi metodi per rilevare diversi potenziali componenti della materia oscura.
Da parte sua, presso il Laboratorio di Fisica Teorica di Annecy-le-Vieux, Francesca Calori studia le firme delle particelle vicine all’assione nei dati astrofisici delle alte energie. Un approccio indiretto basato sui dati raccolti da telescopi terrestri o spaziali. ” Cerchiamo segnali inspiegabili che potrebbero riflettere la conversione degli assioni in fotoni, ad esempio nell’alone della nostra Galassia dove dovrebbe trovarsi la materia oscura. », spiega il ricercatore che è interessato anche alla condizione di esistenza dell’assione senza entrare nella composizione della materia oscura.
Il mistero rimane
Altri esperimenti, infatti, cercano ad esempio gli assioni che possono formarsi nel nucleo di stelle come il Sole o durante la fine esplosiva della vita di stelle massicce (supernovae). ” La difficoltà è avere una comprensione completa e dettagliata di tutti gli altri fenomeni astrofisici che compongono i dati di fondo, in modo da isolare un segnale vero. È una grande sfida teorica e artistica! » Testimonia Francesca Calori.
Un’immagine composita che mostra l’ammasso di galassie 1E 0657-56, noto anche come ammasso della Bolite.
Finora nessuna ricerca diretta o indiretta, nemmeno i pochi esperimenti di laboratorio che hanno tentato di produrre assoni di fotoni (un accoppiamento che funziona in entrambe le direzioni), ha dato risultati. Ma ogni esperimento rende possibile vincolare lo spazio dei possibili parametri e imporre vincoli al modello delle particelle assioniche. ” Sono ateo, nella vita ma anche nella ricercasi affida a Francesca Calori. Sebbene le motivazioni teoriche a sostegno degli assioni siano molto convincenti, dobbiamo tenere presente che essi potrebbero non costituire materia oscura, o addirittura non esistere. Ma abbiamo alcuni dati interessanti che devono essere esplorati. »
” Effettuare un test mai fatto prima, anche se il risultato è negativo, è pur sempre un risultato importante: stiamo creando conoscenza “, conferma Fabrice Hubot che vuole determinare che la materia oscura potrebbe anche essere buchi neri primordiali, gravità modificata, o anche una miscela di diversi tipi di particelle, già studiate o non ancora immaginate. Il mistero rimane, ma il viaggio continua: Gli scienziati sono sto già programmando altri esperimenti, perchè la materia oscura fa sempre brillare loro gli occhi. ♦
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