Se esistono, assioni, tra i candidati per le particelle di materia oscura, potrebbe interagire con la materia che compone l'universo, ma in misura molto più debole di quanto precedentemente teorizzato. Nuovo, vincoli rigorosi sulle proprietà degli assioni sono stati proposti da un team internazionale di scienziati.

L'ultima analisi delle misurazioni delle proprietà elettriche dei neutroni ultrafreddi, pubblicato sulla rivista scientifica Revisione fisica X , ha portato a conclusioni sorprendenti. Sulla base dei dati raccolti nell'esperimento Electric Dipole Moment of Neutron (nEDM), un gruppo internazionale di fisici ha dimostrato che gli assioni, ipotetiche particelle che possono comprendere la materia oscura fredda, dovrebbero rispettare limiti molto più severi di quanto si credesse in precedenza per quanto riguarda la loro massa e le modalità di interazione con la materia ordinaria. I risultati sono i primi dati di laboratorio che impongono limiti alle potenziali interazioni di assioni con nucleoni (cioè protoni o neutroni) e gluoni (le particelle che legano i quark nei nucleoni).

"Le misurazioni del momento di dipolo elettrico dei neutroni sono state condotte dal nostro gruppo internazionale per una buona dozzina di anni. Per la maggior parte di questo tempo, nessuno di noi sospettava che nei dati raccolti potessero essere nascoste tracce associate a potenziali particelle di materia oscura. Solo recentemente, i teorici hanno suggerito tale possibilità e abbiamo colto avidamente l'occasione per verificare le ipotesi sulle proprietà degli assioni, " dice il dottor Adam Kozela (IFJ PAN), uno dei partecipanti all'esperimento.

La materia oscura è stata proposta per la prima volta per spiegare i movimenti delle stelle all'interno delle galassie e delle galassie all'interno degli ammassi galattici. Il pioniere della ricerca statistica sui movimenti delle stelle fu l'astronomo polacco Marian Kowalski. Nel 1859, notò che i movimenti delle stelle vicine non potevano essere spiegati esclusivamente dal movimento del sole. Questa è stata la prima prova osservativa che suggerisce la rotazione della Via Lattea. Kowalski è dunque l'uomo che "scuote le fondamenta" della galassia. Nel 1933, l'astronomo svizzero Fritz Zwicky è andato oltre. Ha analizzato i movimenti delle strutture nell'ammasso di galassie Coma utilizzando diversi metodi. Notò poi che si muovevano come se ci fosse una quantità di materia molto maggiore nei loro dintorni di quella osservata dagli astronomi.

Gli astronomi ritengono che nell'universo dovrebbe esserci quasi 5,5 volte più materia oscura della materia ordinaria, come suggeriscono le misurazioni della radiazione a microonde di fondo. Ma la natura della materia oscura è ancora sconosciuta. I teorici hanno costruito molti modelli che prevedono l'esistenza di particelle più o meno esotiche, che può spiegare la materia oscura. Tra i candidati ci sono le assioni. Queste particelle estremamente leggere interagirebbero con la materia ordinaria quasi esclusivamente attraverso la gravità. I modelli attuali prevedono che in determinate situazioni, un fotone potrebbe trasformarsi in un assione, e dopo un po' di tempo, trasformarsi nuovamente in un fotone. Questo ipotetico fenomeno è alla base dei famosi esperimenti di "illuminazione attraverso un muro". Si tratta di dirigere un intenso raggio di luce laser su un ostacolo spesso, e osservando quei fotoni che si trasformano in assioni che penetrano nel muro. Dopo aver attraversato, alcuni degli assioni potrebbero ridiventare fotoni, con caratteristiche esattamente come quelle originariamente dirette alla barriera.

Gli esperimenti relativi alla misurazione del momento di dipolo elettrico dei neutroni non hanno nulla a che fare con i fotoni. In esperimenti condotti per oltre 10 anni, scienziati hanno misurato i cambiamenti nella frequenza della risonanza magnetica nucleare (NMR) di neutroni e atomi di mercurio in una camera a vuoto in presenza di energia elettrica, campi magnetici e gravitazionali. Queste misurazioni hanno permesso ai ricercatori di trarre conclusioni sulla precessione di neutroni e atomi di mercurio, e di conseguenza sui loro momenti di dipolo.

Negli ultimi anni sono comparsi lavori teorici che prevedono la possibilità che gli assioni interagiscono con gluoni e nucleoni. A seconda della massa degli assioni, queste interazioni potrebbero provocare disturbi più o meno grandi con il carattere delle oscillazioni dei momenti elettrici di dipolo dei nucleoni, o anche atomi interi. Le previsioni indicavano che gli esperimenti condotti nell'ambito della cooperazione nEDM potrebbero contenere preziose informazioni sull'esistenza e sulle proprietà di potenziali particelle di materia oscura.

"Nei dati degli esperimenti al PSI, i nostri colleghi che hanno condotto l'analisi hanno cercato variazioni di frequenza con periodi dell'ordine dei minuti, e nei risultati di ILL, nell'ordine dei giorni. Quest'ultimo apparirebbe se ci fosse un vento di assione, questo è, se gli assioni nello spazio vicino alla Terra si stessero muovendo in una direzione specifica. Poiché la Terra gira, in diversi momenti della giornata la nostra attrezzatura di misurazione cambierebbe il suo orientamento rispetto al vento assionico, e questo dovrebbe tradursi in ciclici, variazioni giornaliere delle oscillazioni da noi registrate, " spiega il dottor Kozela.

L'esito della ricerca si è rivelato negativo. Nessuna traccia dell'esistenza di assioni con masse comprese tra 10 ^-24 e 10 ^-17 sono stati trovati elettronvolt (per confronto:la massa di un elettrone è più di mezzo milione di elettronvolt). Inoltre, gli scienziati sono riusciti a stringere di 40 volte i vincoli imposti dalla teoria sull'interazione degli assioni con i nucleoni. Nel caso di potenziali interazioni con i gluoni, le restrizioni sono aumentate di oltre 1000 volte. Quindi se gli assioni esistono, negli attuali modelli teorici, hanno meno posti dove nascondersi.