I fisici del MIT e di altri paesi hanno eseguito la prima esecuzione di un nuovo esperimento per rilevare gli assioni, particelle ipotetiche che si prevede siano tra le particelle più leggere dell'universo. Se esistono, gli assioni sarebbero praticamente invisibili, eppure inevitabile; potrebbero costituire quasi l'85% della massa dell'universo, sotto forma di materia oscura.

Gli assioni sono particolarmente insoliti in quanto ci si aspetta che modifichino le regole dell'elettricità e del magnetismo a un livello minimo. In un articolo pubblicato oggi in Lettere di revisione fisica , il team guidato dal MIT riferisce che nel primo mese di osservazioni l'esperimento non ha rilevato alcun segno di assioni nell'intervallo di massa compreso tra 0,31 e 8,3 nanoelettronvolt. Ciò significa che gli assioni all'interno di questo intervallo di massa, che equivale a circa un quintilionesimo della massa di un protone, o non esistono o hanno un effetto ancora minore sull'elettricità e sul magnetismo di quanto si pensasse in precedenza.

"Questa è la prima volta che qualcuno ha guardato direttamente questo spazio assionico, "dice Lindley Winslow, investigatore principale dell'esperimento e Jerrold R. Zacharias Career Development Assistant Professor di Fisica al MIT. "Siamo entusiasti di poter ora dire, 'Abbiamo un modo per guardare qui, e sappiamo come fare meglio!'"

I coautori del MIT di Winslow includono l'autore principale Jonathan Ouellet, Chiara Salemi, Zaccaria Bogorad, Janet Conrad, Giuseppe Formaggio, Giuseppe Minervini, Alexey Radovinsky, Jesse Thaler, e Daniel Winklehner, insieme a ricercatori di altre otto istituzioni.

Magnetar e munchkin

Mentre si pensa che siano ovunque, si prevede che gli assioni siano virtualmente simili a fantasmi, avendo solo piccole interazioni con qualsiasi altra cosa nell'universo.

"Come materia oscura, non dovrebbero influenzare la tua vita di tutti i giorni, " dice Winslow. "Ma si pensa che influenzino le cose a livello cosmologico, come l'espansione dell'universo e la formazione delle galassie che vediamo nel cielo notturno."

A causa della loro interazione con l'elettromagnetismo, Si teorizza che gli assioni abbiano un comportamento sorprendente intorno alle magnetar, un tipo di stella di neutroni che genera un campo magnetico estremamente potente. Se sono presenti gli assioni, possono sfruttare il campo magnetico della magnetar per convertirsi in onde radio, che può essere rilevato con telescopi dedicati sulla Terra.

Nel 2016, un trio di teorici del MIT ha elaborato un esperimento mentale per rilevare gli assioni, ispirato alla magnetar. L'esperimento è stato soprannominato ABRACADABRA, per l'approccio a banda larga/risonante al rilevamento di assioni cosmici con un apparato di amplificazione ad anello di campo B, ed è stato concepito da Thaler, che è professore associato di fisica e ricercatore presso il Laboratorio di Scienze Nucleari e il Centro di Fisica Teorica, insieme a Benjamin Safdi, poi un Pappalardo Fellow del MIT, e l'ex studente laureato Yonatan Kahn.

Il team ha proposto un progetto per un piccolo, magnete a forma di ciambella conservato in frigorifero a temperature appena sopra lo zero assoluto. Senza assioni, non dovrebbe esserci alcun campo magnetico al centro della ciambella, o, come dice Winslow, "dove dovrebbe essere il munchkin." Però, se esistono assioni, un rilevatore dovrebbe "vedere" un campo magnetico nel mezzo della ciambella

Dopo che il gruppo ha pubblicato il proprio progetto teorico, Winslow, uno sperimentatore, iniziare a trovare modi per costruire effettivamente l'esperimento.

"Volevamo cercare un segnale di un axion dove, se lo vediamo, è davvero l'assone, " Winslow dice. "Questo è ciò che era elegante in questo esperimento. tecnicamente, se vedessi questo campo magnetico, potrebbe essere solo l'assione, a causa della particolare geometria a cui hanno pensato."

Nel punto debole

È un esperimento impegnativo perché il segnale atteso è inferiore a 20 atto-Tesla. Per riferimento, il campo magnetico terrestre è di 30 micro-Tesla e le onde cerebrali umane sono di 1 pico-Tesla. Nella costruzione dell'esperimento, Winslow e i suoi colleghi hanno dovuto affrontare due principali sfide progettuali, il primo dei quali riguardava il frigorifero utilizzato per mantenere l'intero esperimento a temperature ultrafredde. Il frigorifero includeva un sistema di pompe meccaniche la cui attività poteva generare vibrazioni molto leggere che Winslow temeva potessero mascherare un segnale di assione.

La seconda sfida riguardava il rumore nell'ambiente, ad esempio da stazioni radio vicine, l'elettronica in tutto l'edificio si accende e si spegne, e persino luci a LED sui computer e sull'elettronica, tutto ciò potrebbe generare campi magnetici concorrenti.

Il team ha risolto il primo problema appendendo l'intero aggeggio, usando un filo sottile come il filo interdentale. Il secondo problema è stato risolto da una combinazione di schermatura superconduttiva fredda e schermatura calda intorno all'esterno dell'esperimento.

"Potremmo quindi finalmente prendere i dati, e c'era una regione dolce in cui eravamo al di sopra delle vibrazioni del frigorifero, e sotto il rumore ambientale probabilmente proveniente dai nostri vicini, in cui potremmo fare l'esperimento."

I ricercatori hanno prima eseguito una serie di test per confermare che l'esperimento funzionava e mostrava accuratamente i campi magnetici. Il test più importante è stata l'iniezione di un campo magnetico per simulare un falso assionio, e per vedere che il rivelatore dell'esperimento ha prodotto il segnale previsto, indicando che se un vero assone ha interagito con l'esperimento, verrebbe rilevato. A questo punto l'esperimento era pronto.

"Se prendi i dati e li esegui attraverso un programma audio, puoi sentire i suoni che fa il frigo, " dice Winslow. "Vediamo anche altri rumori che si accendono e si spengono, da qualcuno della porta accanto che fa qualcosa, e poi quel rumore scompare. E quando guardiamo questo punto dolce, tiene insieme, capiamo come funziona il rilevatore, e diventa abbastanza silenzioso da udire le assioni."

Vedendo lo sciame

Nel 2018, il team ha effettuato la prima run di ABRACADABRA, campionamento continuo tra luglio e agosto. Dopo aver analizzato i dati di questo periodo, non hanno trovato prove di assioni nell'intervallo di massa compreso tra 0,31 e 8,3 nanoelettronvolt che modificano l'elettricità e il magnetismo di più di una parte su 10 miliardi.

L'esperimento è progettato per rilevare assioni di masse ancora più piccole, fino a circa 1 femtoelettronvolt, così come assioni grandi come 1 microelettronvolt.

Il team continuerà a eseguire l'esperimento in corso, che ha le dimensioni di un pallone da basket, per cercare assioni ancora più piccole e più deboli. Nel frattempo, Winslow sta cercando di capire come ampliare l'esperimento, alle dimensioni di un'auto compatta, dimensioni che potrebbero consentire il rilevamento di assioni ancora più deboli.

"C'è una reale possibilità di una grande scoperta nelle prossime fasi dell'esperimento, " dice Winslow. "Ciò che ci motiva è la possibilità di vedere qualcosa che cambierebbe il campo. è ad alto rischio, fisica ad alta ricompensa."