Rappresentazione artistica di una stella gigante rossa che emette assioni. Accoppiamenti assione-elettrone della dimensione richiesta per tenere conto dell'eccesso di XENON1T farebbero inevitabilmente girare altre stelle, come il gigante rosso nella foto, in luminosi "fari di assioni", cambiando drasticamente la loro luminosità e la loro evoluzione. Credito:Di Luzio et al.
Per diversi decenni, fisici e astrofisici hanno teorizzato l'esistenza della materia oscura nell'universo. Questo tipo sfuggente di materia sarebbe costituito da particelle che non assorbono, riflettono o emettono luce, e che quindi non può essere rilevato utilizzando strumenti convenzionali per l'osservazione delle particelle.
Uno dei candidati più promettenti per la materia oscura è l'assone. Gli assioni sono particelle ipotetiche introdotte per la prima volta per spiegare osservazioni insolite relative a forti interazioni nucleari. Successivamente, i fisici teorici hanno suggerito che gli assioni costituiscono parti della massa dell'universo che sono ancora dispersi e potrebbero quindi essere essenzialmente materia oscura. Da allora, innumerevoli team in tutto il mondo hanno condotto ricerche di assioni utilizzando una varietà di rivelatori potenti e sofisticati.
Qualche mese fa, un gruppo di ricerca internazionale noto come XENON Collaboration ha rilasciato nuovi dati raccolti da XENON1T, un sensibile rivelatore di interazioni tra materia oscura e particelle comuni. Questi dati contenevano un sorprendente eccesso di eventi che potrebbe essere un indizio dell'esistenza di particelle mai osservate prima, come gli assioni solari.
Ricercatori del Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), Università di Barcellona, La Barry University e i Laboratori Nazionali di Frascati (INFN) hanno recentemente esaminato i dati raccolti dal rivelatore XENON1T con la speranza di capire meglio se l'eccesso rilevato possa, infatti, essere una manifestazione di assioni solari. I risultati delle loro analisi e delle loro considerazioni, pubblicato in Lettere di revisione fisica , sembrano escludere la possibilità che gli assioni solari siano dietro le osservazioni inaspettate della XENON Collaboration.
"Quando è stato annunciato il risultato di XENON1T, stavamo effettuando uno studio approfondito degli effetti dell'emissione di assioni da vari corpi astrofisici, " Via Posta Elettronica, Luca Di Luzio, Marco Fedele, Maurizio Giannotti, Federico Mescia ed Enrico Nardi, i ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org, "Eravamo quindi in una situazione ottimale per renderci subito conto che le proprietà specifiche degli assioni richieste dalla spiegazione di XENON1T erano in forte conflitto con le osservazioni dell'evoluzione stellare".
Nel loro recente articolo, Di Luzio e i suoi colleghi mostrano che l'ipotesi degli assioni solari come eccesso di XENON1T non regge, in quanto si scontra con le precedenti osservazioni astrofisiche. La loro speranza è che, escludendo questa possibilità, il loro lavoro incoraggerà altri team a identificare ed esplorare spiegazioni alternative. Secondo i ricercatori, è molto più probabile che l'eccesso sia il risultato di un problema non affrontato con l'apparato sperimentale o un'indicazione di un diverso fenomeno fisico esotico.
Una spiegazione del segnale anomalo di XENON1T richiede che gli accoppiamenti degli assioni ai fotoni e agli elettroni si trovino all'interno della regione blu di questo grafico. Però, le osservazioni astrofisiche implicano che la regione consentita per gli stessi due accoppiamenti non può estendersi molto al di fuori della regione rossa. La grande separazione tra le due regioni ha permesso ai ricercatori di concludere che i dati XENON1T non possono essere spiegati dagli assioni solari. Credito:Di Luzio et al.
"Gli assioni solari non possono spiegare l'osservazione anomala di XENON1T semplicemente perché, rispetto ad altri tipi di stelle caratterizzati da densità e temperature del nucleo molto più grandi, il sole non è molto efficiente nel produrre assioni, " hanno spiegato i ricercatori. "Se l'eccesso osservato dovesse essere interpretato come dovuto agli assioni solari, un altro tipo di stelle quindi produrrebbero assioni in eccesso, brillerebbero come intensi fari di assioni, ' perdendo energia dai loro nuclei interni ad un ritmo così grande che la loro evoluzione sarebbe drasticamente alterata. Questo sarebbe in grave conflitto con molte osservazioni astronomiche passate".
Un esempio di dati astronomici che si scontra con l'ipotesi degli assioni solari è l'osservazione delle popolazioni stellari. Per spiegare l'eccesso di XENON1T, infatti, gli assioni solari dovrebbero avere parametri così grandi che un'intera popolazione stellare, le cosiddette stelle a ramo orizzontale (HB), sarebbe molto scarsamente popolato. Se così fosse, nessuna stella HB dovrebbe essere trovata negli ammassi globulari vicini, dove i ricercatori ne hanno effettivamente individuati diversi.
"Il nostro studio dovrebbe essere inteso principalmente come un contributo per mantenere gli sforzi della comunità sulla giusta strada, " hanno detto i ricercatori. "L'entusiasmo iniziale per una possibile "scoperta di assioni" potrebbe aver deviato gli sforzi sperimentali e teorici in una direzione che è, infatti, un vicolo cieco."
Oltre ad escludere la possibilità che gli assioni solari spieghino l'eccesso di XENON1T, il recente lavoro condotto da Di Luzio e dai suoi colleghi sottolinea l'importanza di considerare attentamente le implicazioni astrofisiche dei modelli di assioni quando si cerca di valutarne la fattibilità fenomenologica. Nella loro carta, i ricercatori sottolineano l'importanza della relazione tra assioni e astrofisica, poiché la prima prova dell'esistenza degli assioni potrebbe eventualmente venire direttamente dalle osservazioni astrofisiche.
Il team sta ora conducendo ulteriori studi sulla fisica degli assioni. Questi studi si concentrano su una vasta gamma di argomenti, comprese le conseguenze cosmologiche e astrofisiche degli assioni, costruzione del modello di axion e gli aspetti fenomenologici delle ricerche di axion effettuate sia in laboratorio che a terra.
"Ogni membro della nostra collaborazione ha competenze specifiche in diversi aspetti della fisica degli assioni, " hanno detto i ricercatori. "Come collaborazione, stiamo attualmente effettuando un'analisi approfondita di un gran numero di osservabili astrofisici, alcuni dei quali mostrano interessanti discrepanze tra previsioni teoriche e osservazioni. Sebbene preso singolarmente il livello di significatività di ciascuna anomalia sia finora moderato, un'analisi globale potrebbe rivelare un modello coerente, e potrebbe indicare una spiegazione in termini di un tipo specifico di assione."
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