Diversi esperimenti hanno mirato a svelare di cosa è fatto, ma nonostante decenni di ricerche, gli scienziati non hanno avuto successo. Ora il nostro nuovo esperimento, in costruzione presso l'Università di Yale negli Stati Uniti, offre una nuova tattica.

La materia oscura è presente nell’universo fin dall’inizio dei tempi, unendo stelle e galassie. Invisibile e sottile, non sembra interagire con la luce o con qualsiasi altro tipo di materia. In effetti, deve essere qualcosa di completamente nuovo.

Il modello standard della fisica delle particelle è incompleto e questo è un problema. Dobbiamo cercare nuove particelle fondamentali. Sorprendentemente, gli stessi difetti del modello standard danno preziosi indizi su dove potrebbero nascondersi.

Il problema con il neutrone

Prendiamo ad esempio il neutrone. Costituisce il nucleo atomico insieme al protone. Nonostante sia complessivamente neutrale, la teoria afferma che è composta da tre particelle costituenti cariche chiamate quark. Per questo motivo, ci aspetteremmo che alcune parti del neutrone siano cariche positivamente e altre negativamente:ciò significherebbe che sta avendo quello che i fisici chiamano momento di dipolo elettrico.

Tuttavia, molti tentativi di misurarlo sono arrivati ​​allo stesso risultato:è troppo piccolo per essere rilevato. Un altro fantasma. E non parliamo di inadeguatezze strumentali, ma di un parametro che deve essere inferiore a una parte su 10 miliardi. È così piccolo che la gente si chiede se potrebbe essere pari a zero.

In fisica, tuttavia, lo zero matematico è sempre un’affermazione forte. Alla fine degli anni '70, i fisici delle particelle Roberto Peccei e Helen Quinn (e più tardi, Frank Wilczek e Steven Weinberg) cercarono di conciliare teoria e prove.

Hanno suggerito che, forse, il parametro non è zero. Si tratta piuttosto di una quantità dinamica che ha perso lentamente la sua carica, evolvendo fino a zero, dopo il Big Bang. I calcoli teorici mostrano che, se si è verificato un evento del genere, deve aver lasciato dietro di sé una moltitudine di particelle leggere e subdole.

Questi furono soprannominati "assoni" dal nome di una marca di detersivi perché potevano "risolvere" il problema dei neutroni. E anche di più. Se gli assioni furono creati nell'universo primordiale, da allora sono in giro. Ancora più importante, le loro proprietà soddisfano tutte le aspettative previste per la materia oscura. Per questi motivi, gli assioni sono diventati una delle particelle candidate preferite per la materia oscura.

Gli assioni interagirebbero solo debolmente con altre particelle. Tuttavia, ciò significa che interagirebbero comunque un po’. Gli assioni invisibili potrebbero persino trasformarsi in particelle ordinarie, compresi, per ironia della sorte, i fotoni, l’essenza stessa della luce. Ciò può accadere in circostanze particolari, come in presenza di un campo magnetico. Questa è una manna dal cielo per i fisici sperimentali.

Progettazione sperimentale

Molti esperimenti cercano di evocare l'assione-fantasma nell'ambiente controllato di un laboratorio. Alcuni mirano a convertire la luce in assioni, ad esempio, e poi gli assioni nuovamente in luce dall'altra parte di un muro.

Al momento, l’approccio più sensibile prende di mira l’alone di materia oscura che permea la galassia (e di conseguenza la Terra) con un dispositivo chiamato aloscopio. È una cavità conduttiva immersa in un forte campo magnetico; il primo cattura la materia oscura che ci circonda (assumendo si tratti di assioni), mentre il secondo ne induce la conversione in luce. Il risultato è un segnale elettromagnetico che appare all'interno della cavità, oscillante con una frequenza caratteristica dipendente dalla massa dell'assione.

Il sistema funziona come una radio ricevente. Ha bisogno di essere regolato adeguatamente per intercettare la frequenza che ci interessa. In pratica, le dimensioni della cavità vengono modificate per accogliere frequenze caratteristiche diverse. Se le frequenze dell'assione e della cavità non corrispondono, è come sintonizzare una radio sul canale sbagliato.

Sfortunatamente, il canale che stiamo cercando non può essere previsto in anticipo. Non abbiamo altra scelta che scansionare tutte le frequenze potenziali. È come scegliere una stazione radio in un mare di rumore bianco, un ago in un pagliaio, con una vecchia radio che deve essere più grande o più piccola ogni volta che giriamo la manopola della frequenza.

Tuttavia, queste non sono le uniche sfide. La cosmologia indica le decine di gigahertz come l'ultima e promettente frontiera per la ricerca sugli assioni. Poiché le frequenze più elevate richiedono cavità più piccole, l'esplorazione di quella regione richiederebbe cavità troppo piccole per catturare una quantità significativa di segnale.

Nuovi esperimenti stanno cercando di trovare percorsi alternativi. Il nostro esperimento Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) utilizza un nuovo concetto di cavità basato su metamateriali.

I metamateriali sono materiali compositi con proprietà globali che differiscono dai loro costituenti:sono più della somma delle loro parti. Una cavità piena di bacchette conduttrici acquisisce una frequenza caratteristica come se fosse un milione di volte più piccola, pur modificando appena il suo volume. Questo è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. Inoltre, le aste forniscono un sistema di accordatura integrato e facile da regolare.

Stiamo attualmente costruendo l’impianto, che sarà pronto per acquisire dati tra qualche anno. La tecnologia è promettente. Il suo sviluppo è il risultato della collaborazione tra fisici dello stato solido, ingegneri elettrici, fisici delle particelle e persino matematici.

Nonostante siano così sfuggenti, gli assioni stanno alimentando un progresso che nessun fantasma potrà mai portare via.