Per decenni, la fisica delle particelle è stata il dominio di enormi collisori che agitano le particelle ad alta velocità e le frantumano l'una contro l'altra mentre squadre di migliaia di persone osservano i risultati. Questi tipi di esperimenti hanno prodotto grandi intuizioni sulle forze e sulle particelle che compongono il mondo fisico.

Ma il fisico di Stanford Peter Graham sta sostenendo un approccio molto diverso, che potrebbe essere più veloce ed economico dei massicci collisori, e che potrebbe essere in grado di rilevare forme di fisica precedentemente sfuggenti come la materia oscura.

Graham ha sottolineato che i collisori costano decine di miliardi di dollari e arrivano così raramente che potrebbe esserne costruito solo un nuovo collisore nella sua vita. Il suo approccio evoca un'epoca in cui la fisica poteva essere eseguita su un tavolo da una o due persone e produrre risultati in pochi anni.

"Si torna a quello in qualche modo, ma utilizzando tecnologie e approcci molto diversi, " ha detto Graham, che è un assistente professore di fisica. "È una nuova direzione per cercare le leggi più elementari della natura".

Graham, che è anche un collaboratore della divisione di fisica delle particelle elementari presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, ha recentemente ricevuto un Breakthrough New Horizons in Physics Prize per la sua nuova regia, cui spera che più persone si uniscano. Ha parlato con lo Stanford Report del perché la fisica ha bisogno di nuovi tipi di esperimenti, cosa potrebbe essere la materia oscura e come spera di rilevarla.

Hai detto che i tuoi esperimenti esplorano una nuova fisica. Che cosa significa?

Il modello standard della fisica delle particelle è tutto ciò che abbiamo scoperto. Spiega quasi ogni esperimento mai fatto su scale gigantesche, dai nuclei alle galassie. Ci sono davvero poche cose che non spiega, che chiamiamo nuova fisica. Sappiamo che ci sono cose là fuori al di là di ciò che abbiamo visto, come materia oscura, e nuove leggi fondamentali. Queste sono le cose che stiamo cercando di scoprire.

La materia oscura è una forma di nuova fisica che potresti essere in grado di rilevare. Puoi spiegare cos'è la materia oscura e perché i fisici credono che esista?

Inizialmente, le persone si sono rese conto che c'è molta più gravità che attrae le galassie di quanto potessero spiegare. O le leggi di gravità erano sbagliate, che era possibile, o c'era qualcos'altro che non sappiamo sull'attrazione delle galassie. In entrambi i casi, non puoi spiegarlo con quello che sappiamo.

Ora ci sono molte prove che la nostra comprensione della gravità non è sbagliata, e invece c'è un nuovo tipo di cose che i fisici hanno chiamato materia oscura. È stato uno degli obiettivi principali della fisica comprendere la materia oscura e inventare nuovi tipi di esperimenti per cercare di rilevarla. Ma devi avere alcune ipotesi su cosa potrebbe essere se lo trovi. È un punto universale della scienza che devi avere un'idea di cosa stai cercando per sapere come fare per cercarlo.

Quali sono alcune delle teorie su cosa potrebbe essere la materia oscura?

Ci sono molte prove per due candidati, chiamati WIMP e assioni. Puoi cercare WIMP [particelle massicce che interagiscono debolmente] con tecniche più tradizionali, come i collisori giganti, e questo ha attirato molta attenzione.

C'era solo un esperimento alla ricerca di assioni e riguardava solo una parte del possibile spettro degli assioni. Era uno scenario spaventoso che gli assioni potessero essere la materia oscura e che potesse non esserci modo di rilevarli. Gli assioni sono molto difficili da cercare perché non interagiscono molto con i nostri esperimenti.

La materia oscura potrebbe anche essere un nuovo folle tipo di particella, o una combinazione di WIMP e assioni, o anche collezioni di buchi neri. Non lo sappiamo.

Cosa ti ha spinto a pensare a modi alternativi di esplorare la nuova fisica?

Parte della motivazione è che i grandi collisori sono importanti ma stanno anche diventando costosi da costruire. Inoltre, ci stiamo rendendo conto che alcune nuove teorie sulla materia oscura non possono davvero essere scoperte sui collisori.

Il mio lavoro è stato quello di prendere tecniche da altri campi della fisica e usarle nella fisica delle particelle. Il premio Breakthrough è davvero bello perché porta un marchio di approvazione e potrebbe davvero aiutarci a portare avanti questa nuova direzione sperimentale.

Puoi farmi un esempio di un tipo di esperimento che hai progettato?

La gente aveva pensato a un approccio per rilevare la materia oscura degli assioni e ha fatto un buon lavoro per gli assioni di massa più elevata, ma non è possibile vedere assioni di massa inferiore. Abbiamo inventato una nuova tecnica per rilevare gli assioni a bassa massa. Coinvolgeva la combinazione di NMR [risonanza magnetica nucleare], che è comunemente usato nelle applicazioni mediche, e magnetometria, che è uno strumento molto preciso per misurare i campi magnetici. Usiamo l'NMR per amplificare il segnale degli assioni in modo che il magnetometro possa rilevarlo.

Abbiamo già iniziato a creare questo esperimento, e potrebbe generare risultati in pochi anni. È molto eccitante perché questo tipo di esperimenti può produrre risultati su scale temporali brevi.

Perché è importante esplorare queste nuove frontiere della fisica?

L'umanità ha sempre guardato le stelle e si è chiesta perché siamo qui. Questo tipo di domande, come la natura della materia oscura, raccontaci la nascita dell'universo, perché l'intero universo è qui.

Ma una parte di questo per me è anche che voglio dare un contributo. Un esempio di come la fisica di base aiuta le persone è venuto dalla meccanica quantistica. Sono sicuro che all'epoca pensavano che fosse un puro esercizio di fisica e non aveva alcuna relazione con la salute umana. Bene, abbiamo imparato la meccanica quantistica e ora abbiamo macchine per la risonanza magnetica e scansioni PET. Direi che è una lezione davvero importante. Gli esseri umani sono creativi e troviamo modi per utilizzare nuove informazioni.