Ricercatori del Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP), all'interno dell'Istituto per le Scienze di Base (IBS, Corea del Sud), hanno riportato i primi risultati della loro ricerca di assioni, sfuggente, particelle ultraleggere considerate candidate alla materia oscura. IBS-CAPP si trova presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST). Pubblicato in Lettere di revisione fisica , l'analisi combina i dati acquisiti nell'arco di tre mesi con un nuovo apparato di caccia agli assioni sviluppato negli ultimi due anni.

Dimostrare l'esistenza degli assioni potrebbe risolvere contemporaneamente due dei più grandi misteri della fisica moderna:perché le galassie in orbita all'interno di ammassi di galassie si muovono molto più velocemente del previsto, e perché due forze fondamentali della natura seguono regole di simmetria diverse. Il primo enigma è stato sollevato negli anni '30, ed è stato confermato negli anni '70 quando gli astronomi hanno notato che la massa osservata della galassia della Via Lattea non poteva spiegare la forte attrazione gravitazionale sperimentata dalle stelle nelle galassie. Il secondo enigma, noto come problema di PC forte, è stato soprannominato dalla rivista Forbes come "il puzzle più sottovalutato di tutta la fisica" nel 2019.

La simmetria è un elemento importante della fisica delle particelle e CP si riferisce alla simmetria Carica+Parità, dove le leggi della fisica sono le stesse se le particelle vengono scambiate con le loro corrispondenti antiparticelle (C) nelle loro immagini speculari (P). Nel caso della forza forte, che è responsabile di tenere insieme i nuclei, La violazione di CP è consentita teoricamente, ma non è mai stato rilevato, anche negli esperimenti più delicati. D'altra parte, La simmetria CP è violata sia teoricamente che sperimentalmente nella forza debole, che è alla base di alcuni tipi di decadimenti radioattivi. Nel 1977, i fisici teorici Roberto Peccei e Helen Quinn hanno proposto la simmetria Peccei-Quinn come soluzione teorica a questo problema, e due premi Nobel per la fisica, Frank Wilczek e Steven Weinberg, ha mostrato che la simmetria di Peccei-Quinn si traduce in una nuova particella:l'assione. La particella prende il nome da un detersivo americano, perché dovrebbe pulire il disordine delle interazioni forti.

Attualmente, si stima che l'85% della materia dell'universo sia costituita da materia oscura, che è impercettibile. La materia oscura fornisce massa sufficiente per impedire al sole di lasciare la Via Lattea, ma non è visibile in condizioni ordinarie. In altre parole, ci si aspetta che gli assioni siano presenti in grande quantità nell'Universo, ma per interagire a malapena con le particelle che ci sono familiari.

Secondo le previsioni e la regola d'oro di Fermi, un assione si trasforma spontaneamente in due particelle rilevabili (fotoni) a una velocità estremamente bassa, e questa conversione può essere più veloce in un ambiente in cui uno dei fotoni è già presente. Negli esperimenti, quel ruolo è giocato da un forte campo magnetico, che fornisce fotoni di tutti i livelli energetici (virtualmente), accelerando enormemente il processo.

Per facilitare la conversione da assione a fotone, I ricercatori IBS hanno utilizzato il loro aloscopio CAPP-8TB personalizzato. Questo strumento ha un magnete superconduttore a forma di cilindro con un foro chiaro di 165 mm e un campo magnetico centrale di 8 Tesla. Il segnale dei fotoni generati dagli assioni viene amplificato in una cavità risonante. Se si sceglie la frequenza giusta, i fotoni risuonerebbero nella cavità e segnerebbero la loro presenza con un piccolo lampo. Il team avrebbe bisogno di rilevare circa 100 fotoni a microonde al secondo per fare una dichiarazione sicura.

"Questo esperimento non è uno sprint di 100 metri, ma il primo gol in una maratona. Abbiamo imparato facendo, e abbiamo testato nuovi concetti da utilizzare a sistemi di livello superiore in futuro, " spiega Yannis K. Semertzidis, il direttore del Centro e anche un professore di KAIST.

In questa corsa sperimentale, il team ha cercato assioni con una massa compresa tra 6,62 e 6,82 μeV, corrispondente alla frequenza compresa tra 1,6 e 1,65 GHz, un intervallo che è stato selezionato dalla cromodinamica quantistica. I ricercatori hanno mostrato sperimentalmente con un livello di confidenza del 90%, il risultato più sensibile nella gamma di massa fino ad oggi, che non c'è materia oscura assionica o particella simile ad assioni all'interno di quell'intervallo. In questo modo, CAPP-8TB si colloca tra gli altri esperimenti di caccia agli assioni che stanno esaminando varie possibili masse. Inoltre, questo è l'unico esperimento a quell'intervallo di massa che si avvicina alla sensibilità richiesta secondo i due modelli teorici più famosi sugli assioni:il modello KSVZ e il modello DFSZ. Le lettere sono abbreviazioni che si riferiscono agli scienziati che le hanno proposte.

"Abbiamo dimostrato che possiamo raggiungere una sensibilità molto migliore rispetto a tutti gli altri esperimenti in quella gamma di frequenze e che siamo pronti a espandere la nostra ricerca con sistemi più grandi. Miriamo a essere al top del nostro campo per i prossimi 10 anni. Ecco perché è così eccitante, " afferma Soohyung Lee, ricercatore in ingegneria, il primo autore dello studio.

L'intervallo di massa è determinato dal diametro della cavità. Un diametro maggiore può cercare una regione di massa inferiore e viceversa. Poiché la cavità risonante di CAPP-8TB è posizionata all'interno del foro trasparente del magnete superconduttore, I ricercatori dell'IBS hanno progettato una cavità cilindrica in rame sintonizzabile come risonatore con il volume massimo disponibile.

Oltre la cavità, l'aloscopio CAPP-8TB vanta una serie di tecnologie all'avanguardia, compreso un frigorifero a diluizione criogenica che raggiunge -273 gradi Celsius (appena circa 50 mK sopra lo zero assoluto), un magnete superconduttore con un forte campo magnetico, elettronica a microonde a basso rumore e amplificatori all'avanguardia.

Il piano è cercare gli assioni che sintonizzano l'aloscopio a una frequenza da 1 a 10 GHz, e successivamente da 10 a 25 GHz utilizzando un magnete più potente con grande volume, attuando tutte le loro invenzioni. La ricerca delle assioni continua senza sosta.