Quarant'anni fa, gli scienziati hanno teorizzato un nuovo tipo di particella di piccola massa che potrebbe risolvere uno dei misteri eterni della natura:di cosa è fatta la materia oscura. Ora è iniziato un nuovo capitolo nella ricerca di quella particella.

Questa settimana, l'Axion Dark Matter Experiment (ADMX) ha svelato un nuovo risultato, pubblicato in Lettere di revisione fisica , che lo colloca in una categoria di uno:è il primo e unico esperimento al mondo ad aver raggiunto la sensibilità necessaria per "ascoltare" i segni rivelatori delle assioni della materia oscura. Questa svolta tecnologica è il risultato di oltre 30 anni di ricerca e sviluppo, con l'ultimo pezzo del puzzle che arriva sotto forma di un dispositivo abilitato quantistica che consente ad ADMX di ascoltare gli assioni più da vicino di qualsiasi esperimento mai costruito.

ADMX è gestito dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e si trova presso l'Università di Washington. Questo nuovo risultato, il primo della seconda generazione di ADMX, pone limiti a una piccola gamma di frequenze in cui potrebbero nascondersi gli assioni e pone le basi per una ricerca più ampia nei prossimi anni.

"Questo risultato segna l'inizio della vera caccia agli assioni, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab Andrew Sonnenschein, il gestore delle operazioni per ADMX. "Se gli assioni di materia oscura esistono all'interno della banda di frequenza, lo indagheremo nei prossimi anni, allora è solo questione di tempo prima che li troviamo."

Una teoria suggerisce che la materia oscura che tiene insieme le galassie potrebbe essere costituita da un vasto numero di particelle di piccola massa, che sono quasi invisibili alla rilevazione mentre fluiscono attraverso il cosmo. Gli sforzi negli anni '80 per trovare questa particella, chiamato l'assione dal teorico Frank Wilczek, attualmente del Massachusetts Institute of Technology, non hanno avuto successo, dimostrando che la loro individuazione sarebbe estremamente impegnativa.

ADMX è un aloscopio ad assioni, essenzialmente un grande, ricevitore radio a basso rumore, che gli scienziati sintonizzano su frequenze diverse e ascoltano per trovare la frequenza del segnale di assioni. Gli assioni non interagiscono quasi mai con la materia, ma con l'aiuto di un forte campo magnetico e di un freddo, buio, opportunamente sintonizzato, scatola riflettente, ADMX può "sentire" i fotoni creati quando gli assioni si convertono in onde elettromagnetiche all'interno del rivelatore.

"Se pensi a una radio AM, è esattamente così, " disse Gray Rybka, co-portavoce per ADMX e assistente professore presso l'Università di Washington. "Abbiamo costruito una radio che cerca una stazione radio, ma non ne conosciamo la frequenza. Giriamo lentamente la manopola mentre ascoltiamo. Idealmente sentiremo un tono quando la frequenza è giusta".

Questo metodo di rilevamento, che potrebbe rendere visibile l'"assione invisibile", è stato inventato da Pierre Sikivie dell'Università della Florida nel 1983, così come l'idea che gli aloni galattici potessero essere fatti di assioni. Esperimenti e analisi pionieristici da una collaborazione di Fermilab, l'Università di Rochester e il Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, così come gli scienziati dell'Università della Florida, dimostrato la praticità dell'esperimento. Ciò ha portato alla costruzione alla fine degli anni '90 di un rivelatore su larga scala presso il Lawrence Livermore National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, che è la base dell'attuale ADMX.

È stato solo di recente, però, che il team ADMX è stato in grado di impiegare amplificatori quantistici superconduttori al loro pieno potenziale, consentendo all'esperimento di raggiungere una sensibilità senza precedenti. Le precedenti corse di ADMX erano ostacolate dal rumore di fondo generato dalla radiazione termica e dall'elettronica della macchina.

Riparare il rumore delle radiazioni termiche è facile:un sistema di refrigerazione raffredda il rilevatore fino a 0,1 Kelvin (circa meno 460 gradi Fahrenheit). Ma eliminare il rumore dall'elettronica si è rivelato più difficile. Le prime esecuzioni di ADMX utilizzavano amplificatori a transistor standard, ma dopo essersi connesso con John Clarke, professore all'Università della California, Berkeley, Clarke ha sviluppato un amplificatore quantistico limitato per l'esperimento. Questa tecnologia molto più silenziosa, abbinato al gruppo frigorifero, riduce il rumore di un livello sufficientemente significativo che il segnale, se ADMX ne scopra uno, arriverà forte e chiaro.

"Le versioni iniziali di questo esperimento, con amplificatori a transistor, ci sarebbero voluti centinaia di anni per scansionare la gamma più probabile di masse di assioni. Con i nuovi rivelatori superconduttori, possiamo cercare lo stesso intervallo su scale temporali di pochi anni, " ha detto Gianpaolo Carosi, co-portavoce per ADMX e scienziato presso il Lawrence Livermore National Laboratory.

"Questo risultato pianta una bandiera, " ha detto Leslie Rosenberg, professore all'Università di Washington e capo scienziato per ADMX. "Racconta al mondo che abbiamo la sensibilità, e avere un'ottima possibilità di trovare l'assione. Non è necessaria alcuna nuova tecnologia. Non abbiamo più bisogno di un miracolo, abbiamo solo bisogno di tempo".

ADMX ora testerà milioni di frequenze a questo livello di sensibilità. Se si trovano gli assioni, sarebbe una scoperta importante che potrebbe spiegare non solo la materia oscura, ma altri misteri persistenti dell'universo. Se ADMX non trova le assioni, che potrebbe costringere i teorici a escogitare nuove soluzioni a quegli enigmi.

"Una scoperta potrebbe arrivare in qualsiasi momento nei prossimi anni, " ha detto lo scienziato Aaron Chou del Fermilab. "È stata una lunga strada per arrivare a questo punto, ma stiamo per iniziare il periodo più emozionante in questa continua ricerca di assioni".