Il Baryon Antibaryon Symmetry Experiment (BASE) presso l'Antimatter Factory del CERN ha fissato nuovi limiti all'esistenza di particelle simili agli assioni, e quanto facilmente quelli in un intervallo di massa ristretto intorno a 2,97 neV potrebbero trasformarsi in fotoni, le particelle di luce. Il nuovo risultato di BASE, pubblicato da Lettere di revisione fisica , descrive questo metodo pionieristico e apre nuove possibilità sperimentali nella ricerca della materia oscura fredda.

Assioni, o particelle simili ad assioni, sono candidati per la materia oscura fredda. Dalle osservazioni astrofisiche, riteniamo che circa il 27% del contenuto di materia-energia dell'universo sia costituito da materia oscura. Queste particelle sconosciute sentono la forza di gravità, ma rispondono appena alle altre forze fondamentali, se li sperimentano affatto. La teoria meglio accettata delle forze e delle particelle fondamentali, chiamato Modello Standard della fisica delle particelle, non contiene particelle che hanno le proprietà giuste per essere materia oscura fredda. Il risultato riportato da BASE indaga questo ipotetico sfondo di materia oscura presente in tutto l'universo.

Poiché il Modello Standard lascia molte domande senza risposta, i fisici hanno proposto teorie che vanno oltre, alcuni dei quali spiegano la natura della materia oscura. Tra queste teorie ci sono quelle che suggeriscono l'esistenza di assioni o particelle simili agli assioni. Queste teorie devono essere verificate, e molti esperimenti sono stati organizzati in tutto il mondo per cercare queste particelle, anche al CERN. Per la prima volta, BASE ha trasformato gli strumenti sviluppati per rilevare i singoli antiprotoni, l'equivalente in antimateria di un protone, alla ricerca della materia oscura. Ciò è particolarmente significativo in quanto BASE non è stato progettato per tali studi.

"BASE dispone di sistemi di rilevamento estremamente sensibili per studiare le proprietà dei singoli antiprotoni intrappolati. Questi rilevatori possono essere utilizzati anche per cercare segnali di particelle diversi da quelli prodotti dagli antiprotoni nelle trappole. In questo lavoro, abbiamo usato uno dei nostri rilevatori come antenna per cercare un nuovo tipo di particelle simili agli assioni, "dice Jack Devlin, un ricercatore del CERN che lavora all'esperimento.

Rispetto ai grandi rivelatori installati nel Large Hadron Collider, BASE è un piccolo esperimento. È collegato all'Antiproton Decelerator del CERN, che gli fornisce antiprotoni. BASE cattura e sospende queste particelle in una trappola Penning, un dispositivo che combina campi magnetici elettrici e forti. Per evitare collisioni con la materia ordinaria, la trappola è azionata a 5 kelvin (circa -268 gradi Celsius), una temperatura alla quale pressioni estremamente basse, simili a quelli nello spazio profondo, sono raggiunti. In questo ambiente estremamente isolato, nubi di antiprotoni intrappolati possono esistere per anni alla volta. Regolando accuratamente i campi elettrici, i fisici del BASE possono isolare i singoli antiprotoni e spostarli in una parte separata dell'esperimento. In questa regione, rivelatori risonanti superconduttori molto sensibili possono captare le minuscole correnti elettriche generate da singoli antiprotoni mentre si muovono intorno alla trappola.

Nel lavoro pubblicato da Lettere di revisione fisica , il team BASE ha cercato segnali elettrici inaspettati nei loro sensibili rilevatori di antiprotoni. Al centro di ogni rivelatore c'è un piccolo, di circa 4 cm di diametro, bobina di filo superconduttore a forma di ciambella, che sembra simile agli induttori che trovi spesso nell'elettronica ordinaria. Però, i rivelatori BASE sono superconduttori e non hanno quasi nessuna resistenza elettrica, e tutti i componenti circostanti sono scelti con cura in modo che non causino perdite elettriche. Ciò rende i rilevatori BASE estremamente sensibili ai piccoli campi elettrici. I rilevatori si trovano nel forte campo magnetico della trappola di Penning; gli assioni dallo sfondo della materia oscura interagirebbero con questo campo magnetico e si trasformerebbero in fotoni, che poi può essere rilevato.

I fisici hanno usato l'antiprotone come sensore quantistico per calibrare il rumore di fondo sul loro rivelatore. Hanno quindi iniziato a cercare firme di frequenza ristrette incoerenti con il rumore del rivelatore, per quanto debole, che potrebbe suggerire quelli indotti da particelle simili agli assioni e le loro possibili interazioni con i fotoni. Non è stato trovato nulla alle frequenze che sono state registrate, il che significa che BASE è riuscito a stabilire nuovi limiti superiori per le possibili interazioni tra fotoni e particelle simili ad assioni con determinate masse.

Con questo studio, BASE apre la possibilità ad altri esperimenti di trappola di Penning di partecipare alla ricerca della materia oscura. Poiché BASE non è stato costruito per cercare questi segnali, potrebbero essere apportate diverse modifiche per aumentare la sensibilità e la larghezza di banda dell'esperimento e migliorare la probabilità di trovare una particella simile all'assone in futuro.

"Con questa nuova tecnica, abbiamo combinato due rami della fisica sperimentale precedentemente non correlati:la fisica degli assioni e la fisica delle trappole di Penning ad alta precisione. Il nostro esperimento di laboratorio è complementare agli esperimenti di astrofisica e particolarmente sensibile nell'intervallo di bassa massa degli assioni. Con uno strumento appositamente costruito saremmo in grado di ampliare il panorama delle ricerche di assioni utilizzando tecniche di trappola di Penning, ", afferma il portavoce di BASE Stefan Ulmer.