Un'ipotetica particella che potrebbe risolvere uno dei più grandi enigmi della cosmologia è appena diventata un po' meno misteriosa. Un fisico RIKEN e due colleghi hanno rivelato le basi matematiche che potrebbero spiegare come i cosiddetti assioni potrebbero generare entità simili a stringhe che creano una strana tensione nei materiali di laboratorio.

Gli assioni furono proposti per la prima volta negli anni '70 dai fisici che studiavano la teoria della cromodinamica quantistica, che descrive come alcune particelle elementari sono tenute insieme all'interno del nucleo atomico. Il problema era che questa teoria prevedeva alcune proprietà bizzarre per particelle note che non vengono osservate. Per risolvere questo problema, i fisici postularono una nuova particella, chiamata in seguito l'assione, dopo una marca di detersivo per bucato, perché ha aiutato a ripulire un pasticcio nella teoria.

I fisici si resero presto conto che anche gli assioni potevano chiarire un enigma cosmico. Si pensa che più dell'80% della materia dell'Universo sia costituita da una misteriosa sostanza invisibile, soprannominata materia oscura. "Le assioni sono un candidato per la materia oscura, ma non li abbiamo ancora trovati, "dice Yoshimasa Hidaka, del programma interdisciplinare di scienze teoriche e matematiche RIKEN. Gli assioni potrebbero avere le proprietà giuste, così i fisici hanno cercato i segni della loro esistenza in numerosi esperimenti. A giugno 2020, l'esperimento XENON1T presso il Laboratorio del Gran Sasso in Italia ha riportato indizi che potrebbero aver rilevato l'assone, ma quel risultato deve ancora essere confermato.

Ma c'è un altro campo in cui si possono studiare le proprietà degli assioni. I fisici possono preparare materiali esotici, chiamati isolanti topologici, in laboratorio, che mostrano proprietà strane, come condurre elettricità sulle loro superfici pur rimanendo isolanti elettrici all'interno. Tali materiali mostrano altri comportamenti strani. Qualche volta, i loro elettroni si raggruppano e si muovono in modo tale che il materiale sembra essere costituito da "quasiparticelle" con proprietà insolite. Questo può creare una tensione inaspettata attraverso il materiale, chiamato effetto Hall anomalo.

Si prevede che anche l'assione si presenti in questo modo, negli isolanti topologici, dove dovrebbe interagire con le particelle di luce, o fotoni, in modo diverso dalle particelle normali.

Hidaka ei suoi due colleghi hanno ora esaminato la teoria che governa l'interazione tra assioni e fotoni. Anche se gli assioni sono particelle puntiformi, il team ha calcolato che all'interno dei materiali, la luce interagisce effettivamente con estese configurazioni filiformi fatte di assioni, chiamate stringhe assioniche. Ciò porterebbe all'anomalo effetto Hall, che si osserva negli esperimenti.

"Abbiamo trovato la struttura matematica sottostante al fenomeno, "dice Hidaka.