L'era della scoperta non è finita.

Una volta, europei tormentati dallo scorbuto navigarono verso l'ignoto per rivendicare stranieri, parti fantastiche del mondo. Ora, i fisici siedono nei laboratori e chiedono, "E 'tutto quello che c'è?"

No, non stanno soffrendo una crisi esistenziale collettiva.

Stanno cercando la materia oscura, la roba che teoricamente costituisce un quarto del nostro universo.

E i ricercatori del West Aussie sono in prima linea in questa ricerca, come parte di un progetto australiano per rilevare una particella chiamata assione.

Qual è la questione (oscura)?

Se esiste la materia oscura, probabilmente sei seduto in una zuppa in questo momento.

Gli scienziati prevedono che costituisce il 26,8% dell'universo, il che è piuttosto significativo se si considera che tutto il resto che possiamo osservare, dagli atomi di idrogeno ai buchi neri, costituisce solo il 5%. (L'altro 69% è qualcosa che gli scienziati chiamano energia oscura. Non preoccuparti.)

C'è solo un problema. Non interagisce con l'elettromagnetismo, la forza tra particelle cariche positivamente e negativamente. È responsabile praticamente di tutto ciò che possiamo osservare nella vita di tutti i giorni, con l'eccezione della gravità.

Le forze elettromagnetiche presenti tra gli atomi e le molecole nel terreno sono la ragione per cui la gravità terrestre non continua a trascinarci fino al suo nucleo (caldo e fuso). La luce emessa dal tuo computer, permettendoti di leggere questa storia, è generato dalle interazioni di particelle caricate elettricamente nel monitor, altrimenti noto come elettricità.

La materia ordinaria sembra materia ordinaria a causa delle forze elettromagnetiche tra atomi e molecole. Ma la materia oscura non interagisce con l'elettromagnetismo. Ciò significa che non possiamo vedere, odore, assaggiarlo o toccarlo. Quindi, se la materia oscura è essenzialmente non rilevabile, perchè pensiamo che esista? E cosa diavolo stiamo cercando?

Nell'oscurità

Cominciamo con un presupposto di base:la gravità esiste. Insieme all'elettromagnetismo, la gravità è una delle quattro forze fondamentali che i fisici usano per spiegare quasi tutto. La gravità dice che le cose pesanti attraggono tutte le altre cose pesanti, quindi l'attrazione gravitazionale della Terra è la ragione per cui non stiamo tutti fluttuando senza meta nello spazio.

Se scrutiamo tutto quello spazio, possiamo vedere che la nostra galassia della Via Lattea è a forma di spirale. Smack bang nel centro galattico è un grande, rigonfiamento a forma di barra da cui le braccia a spirale si snodano in un cerchio piatto. La Terra si trova da qualche parte nel mezzo di uno di quei bracci e completa un giro della galassia ogni 225-250 milioni di anni.

Se pensiamo all'intero universo come a un gigantesco parco divertimenti, possiamo immaginare la nostra Via Lattea come una giostra. A differenza dei normali caroselli che hanno pony di plastica fissati in posizione da pali, le stelle, le lune e i pianeti che compongono la nostra galassia sono disconnessi e liberi di girare a velocità diverse.

Quindi se tutto è disgiunto e gira, cosa ci tiene in orbita ordinatamente nella nostra piccola spirale? Bene, se continuiamo con l'analogia del parco a tema, possiamo paragonare questo fenomeno a un giro in sedia a dondolo. Quando si dondola su una sedia intorno a una torre, una catena di metallo fornisce una forza costante al centro della corsa che ti fa girare intorno a quel palo centrale.

La stessa cosa accade nello spazio, tranne che al posto di una catena, abbiamo la gravità. La gravità è fornita dalla massa di cose, in particolare, la massa del nostro centro galattico, che gli scienziati ritengono essere un buco nero supermassiccio. Ha così tanta massa in così poco spazio che esercita una forza gravitazionale così alta da risucchiare la luce.

Quando ti allontani dal centro e nell'alone galattico piatto, vediamo molta meno roba. Meno cose significa meno massa, il che significa meno gravità. Potremmo quindi aspettarci che il materiale nei bracci a spirale ruoti più lentamente rispetto a quello più vicino al centro.

Ciò che gli astrofisici in realtà vedono è che le cose sul bordo esterno della galassia ruotano alla stessa velocità di quelle vicino al centro della galassia, e questo è dannatamente veloce. Se questo fosse il caso del nostro parco a tema, saremmo scivolati in uno scenario da incubo.

La corsa della sedia rotante ruoterebbe così velocemente che la catena non fornirebbe più abbastanza forza per farti muovere in cerchio. La catena si spezzerebbe, e verresti gettato a una morte degna di un film horror di serie B.

Il fatto che la Terra non sia stata fiondata in lungo e in largo suggerisce che siamo circondati da molta più massa, che fornisce un sacco di gravità e mantiene in forma la nostra galassia. E la maggior parte dei fisici pensa che la massa potrebbe essere solo materia oscura.

Candidati oscuri

Solo per un secondo, dimentica tutto quello che hai appena letto. Smetteremo di fissare le stelle e studieremo invece cose molto più piccole:le particelle. La fisica delle particelle è sede di questo problema chiamato problema della parità di carica forte (CP). È un grosso problema inspiegabile nella teoria della cromodinamica quantistica, altrimenti di successo. Non preoccuparti.

Utilizzando equazioni matematiche, i fisici delle particelle negli anni '70 hanno suggerito che potremmo risolvere questo forte problema di PC con l'introduzione di una particella teorica chiamata asione. E se facciamo più calcoli e scriviamo una descrizione di come dovrebbe apparire la particella di assioni, scopriremmo che ha due qualità molto eccitanti:a) ha massa eb) non interagisce affatto con l'elettromagnetismo.

Che suona sospettosamente come le qualità della materia oscura. L'assione è ciò che i fisici chiamano un "candidato promettente" per la materia oscura. È come prendere due piccioni con uno teorico, pietra invisibile.

E se gli assioni sono materia oscura, dovremmo essere circondati da loro in questo momento. If we could only build the right equipment, we could perhaps detect the mysterious mass that's holding our galaxy together. Come succede, some clever scientists at UWA are doing just that.

Dark matter turns light

Physicists at a UWA node of the ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems (EQuS) are employing a piece of equipment called a haloscope—so called because it searches for axions in the galactic halo (which you're sitting in right now).

A haloscope is basically an empty copper can (a 'resonant cavity') placed in a very cold, very strong magnetic field. If axions are dark matter and exist all around us, one might enter the resonant cavity, react with the magnetic field and transform into a particle of light—a photon.

Whilst we wouldn't be able to see these photons, scientists are pretty good at measuring them. They're able to measure how much energy it has (its frequency) as it sits inside the resonant cavity. And that frequency corresponds to the mass of the axion that it came from.

Il problema è, resonant cavities (those empty copper cans) are created to detect photons with specific frequencies. We don't know how heavy axions are, so we don't know what frequency photon they will produce, which means building the right resonator involves a bit of guesswork.

The search for the axion is more of a process of elimination. What have they been able to exclude so far? Bene, mostly due to technical limitations, scientists have previously been looking for axions with a low mass. New theoretical models predict that the axion is a bit heavier. How heavy? Non lo sappiamo. But Aussie researchers have just been awarded 7 years of funding to try and find out.

Scoping the halo

The Oscillating Resonant Group AxioN (ORGAN) experiment is a nationwide collaboration between members of EQuS and is hosted at UWA.

Part of the physicists' work over the next 7 years will be to design resonant cavities that are capable of detecting heavier axions.

They ran an initial experiment over Christmas 2016, the ORGAN Pathfinder, to confirm that their haloscopes were up to the task ahead and that the physicists were capable of analysing their results.

This experiment yielded no results—but that doesn't mean that axions don't exist. It only means that they don't exist with the specific mass that they searched for in December 2016 and to a certain level of sensitivity.

The intrepid explorers at UWA will set sail into the next stages of the ORGAN experiment in 2018. And perhaps soon, we'll know exactly what the matter is.

Questo articolo è apparso per la prima volta su Particella, un sito web di notizie scientifiche con sede a Scitech, Perth, Australia. Leggi l'articolo originale.