ADMX, con la sua sensibilità da leader mondiale, ha escluso gli assioni di un certo intervallo di massa come materia oscura.

Gli assioni sono un ipotetico candidato per la materia oscura che costituisce la maggior parte della massa della nostra galassia, la Via Lattea. L'esperimento Axion Dark Matter cerca assioni "invisibili" provenienti dalla nostra galassia che si convertono in particelle di luce rilevabili, chiamati fotoni, all'interno del potente campo magnetico dell'esperimento.

"Quando cerchi una nuova particella come un assione, stai esplorando interazioni che si traducono in particelle note, come fotoni, " disse Rakshya Khatiwada, Associato di ricerca del Fermilab che ha guidato lo sviluppo del rivelatore a basso rumore per ADMX negli ultimi quattro anni.

Fermilab è il principale laboratorio DOE per ADMX, che è ospitato dall'Università di Washington. Fermilab è finanziato dal Department of Energy Office of Science.

All'interno di ADMX, un magnete superconduttore genera un campo magnetico che trasformerebbe gli assioni non rilevabili in fotoni. All'interno di quel campo si trova un rivelatore che può essere sintonizzato su diverse frequenze corrispondenti a segnali di assioni di diversa massa provenienti dall'alone di materia oscura nella Via Lattea, simile a come una radio si sintonizza su una stazione radio.

Se potessi allungare un righello da un'estremità all'altra della Via Lattea visibile, ne misurerebbe circa 100, 000 anni luce di diametro, il che significa che ci vorrebbe la luce, la cosa più veloce dell'universo, così tanti anni per viaggiare da un'estremità all'altra. Per prospettiva, la luce impiega solo otto minuti per viaggiare dal sole alla Terra.

Ma la dimensione effettiva della nostra galassia potrebbe essere anche maggiore.

Gli scienziati ritengono che una nuvola sferica di materia oscura, un alone di materia oscura, racchiuda quasi tutte le galassie. Questa materia oscura galattica sarebbe più densa al centro della galassia, con densità decrescente man mano che ci si sposta verso l'esterno. La Terra è di circa 25, 000 anni luce dal centro della Via Lattea, così i fisici possono prevedere quale dovrebbe essere la densità locale della materia oscura.

L'esistenza della materia oscura è stata proposta per la prima volta nel 1933 sulla base del movimento dell'ammasso di galassie Coma. Lo scienziato Fritz Zwicky ha calcolato che, visto il modo in cui si muovevano le galassie vicino al bordo dell'ammasso, l'ammasso avrebbe dovuto avere una massa molto maggiore di quella osservata. Per spiegare l'apparente mancanza di massa sufficiente, propose che qualche altra materia, la materia oscura, dovesse essere all'opera. Da allora le prove della materia oscura si sono accumulate, ma gli scienziati devono ancora rilevare direttamente in laboratorio gli elementi costitutivi di questa materia invisibile.

La sfida nel trovare la materia oscura è che interagisce molto raramente con la materia ordinaria. Per confronto, prendi il neutrino, una particella nota che un tempo si pensava fosse candidata per la materia oscura. I neutrini sono famosi per le loro interazioni molto deboli:circa 100 miliardi passano attraverso la punta del pollice ogni secondo. Navigano attraverso di te senza di te, o il tuo corpo, mai notato. E ancora, gli scienziati hanno scoperto come costruire esperimenti per rilevare i neutrini. Il fatto che non abbiamo ancora rilevato la materia oscura significa che le loro interazioni sono ancora più deboli e che abbiamo bisogno di esperimenti ancora più sensibili per rilevarle.

Se trovato, gli assioni risolverebbero anche un altro enigma della fisica:il problema della parità di carica forte.

Nel 1977, i fisici Helen Quinn e Roberto Peccei hanno proposto un nuovo modello per spiegare perché le interazioni forti non violano la simmetria di parità di carica (CP). Poco dopo, altri due fisici (e in seguito vincitori del premio Nobel) Frank Wilczek e Steven Weinberg si resero conto che il modello di Peccei e Quinn prevedeva l'esistenza di una nuova particella, l'assone, e in seguito ci si rese conto che gli assioni potevano essere la materia oscura. Il problema della PC forte è complesso, ma essenzialmente ha lo stesso problema che ha l'astrofisica senza la materia oscura:teoria e osservazione, relative al Modello Standard della fisica, non combaciare. Come con la materia oscura, questo enigma significa che c'è qualcosa che gli scienziati devono ancora comprendere appieno sulla natura.

Il potenziale per rispondere a due grandi domande di fisica contemporaneamente rende gli assioni particelle popolari da cercare.

Nel 2017, ADMX ha operato con la più alta sensibilità di qualsiasi esperimento di assioni fino ad oggi. Così facendo, escludeva una gamma di possibili masse di assioni.

Ora la collaborazione ADMX ha rilasciato i suoi ultimi risultati sulla base dei dati presi nel 2018. I nuovi risultati escludono un altro intervallo di massa, quattro volte più largo del primo, pur mantenendo lo stesso grado di eccezionale sensibilità.

"Questo risultato è buono per quanto riguarda gli assioni nella gamma di massa a cui ADMX è sensibile, "Ha detto Khatiwada. "Che è incredibilmente prezioso, perché stiamo dicendo, con un grado di certezza più alto che mai che gli assioni non esistono lì."

Scoperte scientifiche, soprattutto di particelle che interagiscono molto raramente con la materia, affidati a questo processo di eliminazione. Il bosone di Higgs, Per esempio, è stato scoperto da LHC nel 2012, quasi 50 anni dopo la sua prima proposta. Senza i vincoli del Large Electron-Positron Collider del CERN e del Tevatron del Fermilab su quali masse erano possibili per la particella sfuggente, gli esperimenti di LHC non avrebbero saputo esattamente dove guardare. Senza impostare vincoli, è praticamente impossibile trovare nuovi, particelle debolmente interagenti.

Con entrambi i risultati, ADMX ha escluso la possibilità che esistano assioni con massa compresa tra 2,66 e 3,33 milionesimi di elettronvolt in energia. Per confronto, la massa dell'elettrone è 511, 000 elettronvolt.

Con più dati e la sua superba sensibilità, ADMX sarà in grado di scoprire se esistono assioni o escluderli su una gamma molto più ampia di masse.

ADMX inizierà un'altra corsa di acquisizione dati quest'anno per esplorare l'intervallo sopra i 3,33 milionesimi di elettronvolt. E aumenterà solo la sua sensibilità agli assioni con nuovi e imminenti progressi nella riduzione del rumore di fondo.

"È surreale aiutare a costruire e gestire un esperimento unico al mondo, " ha detto Khatiwada. "È davvero gratificante vedere che tutti, dagli studenti laureati e postdoc agli scienziati e al duro lavoro dei professori, ripagano".