Alla ricerca della misteriosa materia oscura, i fisici hanno utilizzato elaborati calcoli al computer per elaborare un profilo delle particelle di questa forma sconosciuta di materia. Per fare questo, gli scienziati hanno esteso il modello standard di successo della fisica delle particelle che ha permesso loro, tra l'altro, prevedere la massa dei cosiddetti assioni, candidati promettenti per la materia oscura. Il team di ricercatori tedesco-ungheresi guidato dal professor Zoltán Fodor dell'Università di Wuppertal, L'Università Eötvös di Budapest e il Forschungszentrum Jülich hanno effettuato i suoi calcoli sul supercomputer JUQUEEN (BlueGene/Q) di Jülich e ne ha presentati i risultati sulla rivista Natura .

"La materia oscura è una forma invisibile di materia che fino ad ora si è rivelata solo attraverso i suoi effetti gravitazionali. In che cosa consiste rimane un completo mistero, " spiega il co-autore Dr Andreas Ringwald, chi ha sede presso DESY e chi ha proposto la ricerca in corso. La prova dell'esistenza di questa forma di materia arriva, tra l'altro, dall'osservazione astrofisica delle galassie, che ruotano troppo rapidamente per essere tenuti insieme solo dall'attrazione gravitazionale della materia visibile. Le misurazioni ad alta precisione effettuate con il satellite europeo "Planck" mostrano che quasi l'85 percento dell'intera massa dell'universo è costituito da materia oscura. tutte le stelle, pianeti, le nebulose e altri oggetti nello spazio che sono fatti di materia convenzionale rappresentano non più del 15% della massa dell'universo.

"L'aggettivo 'scuro' non significa semplicemente che non emette luce visibile, " dice Ringwald. "Non sembra nemmeno emettere altre lunghezze d'onda - la sua interazione con i fotoni deve essere davvero molto debole." Per decenni, i fisici hanno cercato particelle di questo nuovo tipo di materia. Ciò che è chiaro è che queste particelle devono trovarsi al di là del Modello Standard della fisica delle particelle, e mentre quel modello ha un enorme successo, attualmente descrive solo il convenzionale 15% di tutta la materia nel cosmo. Dalle estensioni teoricamente possibili al Modello Standard i fisici non si aspettano solo una comprensione più profonda dell'universo, ma anche indizi concreti su quale gamma di energia valga particolarmente la pena di cercare candidati per la materia oscura.

La forma sconosciuta della materia può consistere in relativamente pochi, ma particelle molto pesanti, o di un gran numero di quelli leggeri. Le ricerche dirette di candidati di materia oscura pesante utilizzando grandi rivelatori in laboratori sotterranei e la loro ricerca indiretta utilizzando grandi acceleratori di particelle sono ancora in corso, ma finora non sono state rilevate particelle di materia oscura. Una serie di considerazioni fisiche rende le particelle estremamente leggere, soprannominati assioni, candidati molto promettenti. Utilizzando configurazioni sperimentali intelligenti, potrebbe anche essere possibile rilevarne la prova diretta. "Però, per trovare questo tipo di prove sarebbe estremamente utile sapere che tipo di massa stiamo cercando, " sottolinea il fisico teorico Ringwald. "Altrimenti la ricerca potrebbe richiedere decenni, perché si dovrebbe scansionare un intervallo troppo ampio."

L'esistenza di assioni è prevista da un'estensione alla cromodinamica quantistica (QCD), la teoria quantistica che governa l'interazione forte, responsabile della forza nucleare. L'interazione forte è una delle quattro forze fondamentali della natura insieme alla gravitazione, l'elettromagnetismo e la forza nucleare debole, che è responsabile della radioattività. "Le considerazioni teoriche indicano che ci sono le cosiddette fluttuazioni quantistiche topologiche nella cromodinamica quantistica, che dovrebbe tradursi in una violazione osservabile della simmetria di inversione temporale, " spiega Ringwald. Ciò significa che alcuni processi dovrebbero differire a seconda che vengano eseguiti in avanti o all'indietro. Tuttavia, nessun esperimento è riuscito finora a dimostrare questo effetto.

L'estensione alla cromodinamica quantistica (QCD) ripristina l'invarianza delle inversioni temporali, ma allo stesso tempo predice l'esistenza di una particella che interagisce molto debolmente, l'assone, le cui proprietà, in particolare la sua massa, dipendono dalla forza delle fluttuazioni quantistiche topologiche. Però, ci vogliono supercomputer moderni come JUQUEEN di Jülich per calcolare quest'ultimo nell'intervallo di temperatura che è rilevante nel prevedere il contributo relativo degli assioni alla materia che costituisce l'universo. "In cima a questo, abbiamo dovuto sviluppare nuovi metodi di analisi per raggiungere l'intervallo di temperatura richiesto, " nota Fodor che ha guidato la ricerca.

I risultati mostrano, tra l'altro, che se gli assioni costituiscono la maggior parte della materia oscura, dovrebbero avere una massa da 50 a 1500 microelettronvolt, espresso nelle unità consuete della fisica delle particelle, e quindi essere fino a dieci miliardi di volte più leggero degli elettroni. Ciò richiederebbe che ogni centimetro cubo dell'universo contenga in media dieci milioni di tali particelle ultraleggere. La materia oscura non è distribuita uniformemente nell'universo, però, ma forma gruppi e rami di una rete simile a una ragnatela. A causa di ciò, la nostra regione locale della Via Lattea dovrebbe contenere circa un trilione di assioni per centimetro cubo.

Grazie al supercomputer Jülich, i calcoli ora forniscono ai fisici una gamma concreta in cui la loro ricerca di assioni è probabilmente più promettente. "I risultati che presentiamo porteranno probabilmente a una corsa alla scoperta di queste particelle, " dice Fodor. La loro scoperta non solo risolverebbe il problema della materia oscura nell'universo, ma allo stesso tempo rispondi alla domanda perché l'interazione forte è così sorprendentemente simmetrica rispetto all'inversione temporale. Gli scienziati prevedono che nei prossimi anni sarà possibile confermare o escludere sperimentalmente l'esistenza degli assioni.

L'Istituto per la ricerca nucleare dell'Accademia ungherese delle scienze a Debrecen, il Lendület Lattice Gauge Theory Research Group presso l'Università Eötvös, l'Università di Saragozza in Spagna, e anche il Max Planck Institute for Physics di Monaco di Baviera sono stati coinvolti nella ricerca.