Una delle più grandi idee in fisica è la possibilità che tutte le forze conosciute, particelle, e le interazioni possono essere collegate in un unico framework. La teoria delle stringhe è probabilmente la proposta più nota per una "teoria del tutto" che unirebbe la nostra comprensione dell'universo fisico.

Nonostante ci siano molte versioni diverse della teoria delle stringhe che circolano da decenni nella comunità dei fisici, ci sono stati pochissimi test sperimentali. Astronomi che utilizzano l'Osservatorio a raggi X Chandra della NASA, però, hanno compiuto un significativo passo avanti in questo settore.

Cercando tra gli ammassi di galassie, le più grandi strutture dell'universo tenute insieme dalla gravità, i ricercatori sono stati in grado di cercare una particella specifica che dovrebbe esistere secondo molti modelli della teoria delle stringhe. Sebbene la mancata rilevazione risultante non escluda del tutto la teoria delle stringhe, infligge un duro colpo a certi modelli all'interno di quella famiglia di idee.

"Fino a poco tempo fa non avevo idea di quanto gli astronomi a raggi X mettono in tavola quando si tratta di teoria delle stringhe, ma potremmo giocare un ruolo importante, ", ha affermato Christopher Reynolds dell'Università di Cambridge nel Regno Unito, che ha condotto lo studio. "Se alla fine queste particelle venissero rilevate, la fisica cambierebbe per sempre".

La particella che Reynolds ei suoi colleghi stavano cercando è chiamata "assione". Queste particelle non ancora rilevate dovrebbero avere masse straordinariamente basse. Gli scienziati non conoscono l'intervallo di massa preciso, ma molte teorie presentano masse di assioni che vanno da circa un milionesimo della massa di un elettrone fino a massa zero. Alcuni scienziati pensano che gli assioni potrebbero spiegare il mistero della materia oscura, che rappresenta la stragrande maggioranza della materia nell'universo.

Una proprietà insolita di queste particelle di massa ultra bassa sarebbe che a volte potrebbero convertirsi in fotoni (cioè, pacchetti di luce) mentre attraversano campi magnetici. Può anche valere il contrario:i fotoni possono anche essere convertiti in assioni in determinate condizioni. La frequenza con cui si verifica questo passaggio dipende dalla facilità con cui effettuano questa conversione, in altre parole, sulla loro "convertibilità".

Alcuni scienziati hanno proposto l'esistenza di una classe più ampia di particelle di massa ultra bassa con proprietà simili agli assioni. Gli assioni avrebbero un singolo valore di convertibilità ad ogni massa, ma le "particelle simili agli assioni" avrebbero un intervallo di convertibilità alla stessa massa.

"Anche se può sembrare un'impresa ardua cercare minuscole particelle come gli assioni in strutture gigantesche come gli ammassi di galassie, sono davvero ottimi posti in cui cercare, " ha detto il coautore David Marsh dell'Università di Stoccolma in Svezia. "Gli ammassi di galassie contengono campi magnetici su distanze gigantesche, e spesso contengono anche sorgenti luminose di raggi X. Insieme, queste proprietà aumentano le possibilità che la conversione di particelle simili agli assioni sia rilevabile".

Per cercare segni di conversione da particelle simili ad assioni, il team di astronomi ha esaminato in cinque giorni le osservazioni di Chandra dei raggi X dal materiale che cade verso il buco nero supermassiccio al centro dell'ammasso di galassie Perseus. Hanno studiato lo spettro Chandra, o la quantità di emissione di raggi X osservata a diverse energie, di questa fonte. La lunga osservazione e la brillante sorgente di raggi X hanno fornito uno spettro con una sensibilità sufficiente per mostrare le distorsioni che gli scienziati si aspettavano se fossero presenti particelle simili agli assioni.

La mancanza di rilevamento di tali distorsioni ha permesso ai ricercatori di escludere la presenza della maggior parte dei tipi di particelle simili agli assioni nell'intervallo di massa a cui le loro osservazioni erano sensibili, inferiore a circa un milionesimo di miliardesimo della massa di un elettrone.

"La nostra ricerca non esclude l'esistenza di queste particelle, ma sicuramente non aiuta il loro caso, ", ha affermato la coautrice Helen Russell dell'Università di Nottingham nel Regno Unito. "Questi vincoli scavano nella gamma di proprietà suggerite dalla teoria delle stringhe, e può aiutare i teorici delle stringhe a eliminare le loro teorie."

L'ultimo risultato è stato circa tre o quattro volte più sensibile della precedente migliore ricerca di particelle simili agli assioni, che proveniva dalle osservazioni di Chandra del buco nero supermassiccio in M87. Questo studio di Perseus è anche circa cento volte più potente delle misurazioni attuali che possono essere eseguite nei laboratori qui sulla Terra per la gamma di masse che hanno considerato.

Chiaramente, una possibile interpretazione di questo lavoro è che non esistono particelle simili agli assioni. Un'altra spiegazione è che le particelle hanno valori di convertibilità ancora inferiori al limite di rilevamento di questa osservazione, e inferiore a quanto si aspettassero alcuni fisici delle particelle. Potrebbero anche avere masse più elevate di quelle rilevate con i dati di Chandra.

Un documento che descrive questi risultati è apparso il 10 febbraio, Numero 2020 di The Giornale Astrofisico .