Non puoi vederlo. Non puoi sentirlo. Ma la sostanza a cui gli scienziati si riferiscono come materia oscura potrebbe rappresentare cinque volte più "roba" nell'universo della materia normale che forma tutto dagli alberi, i treni e l'aria che si respira, alle stelle, pianeti e nubi di polvere interstellare.

Sebbene gli scienziati vedano la firma della materia oscura indirettamente nel modo in cui grandi oggetti orbitano l'uno sull'altro, in particolare come le stelle ruotano attorno ai centri delle galassie a spirale, nessuno sa ancora cosa comprende questa sostanza. Uno dei candidati è un bosone Z', una particella fondamentale che è stata teorizzata esistere ma mai rilevata.

Un nuovo esperimento proposto potrebbe aiutare gli scienziati a determinare se i bosoni Z' sono reali, identificando così un possibile candidato per la materia oscura. Per svolgere questo compito, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), l'Università di Groningen nei Paesi Bassi, il centro canadese di accelerazione di particelle TRIUMF e altri collaboratori stanno lavorando per effettuare le misurazioni più accurate fino ad oggi di una proprietà nucleare estremamente difficile da misurare, chiamata violazione della parità dipendente dallo spin nucleare (NSD-PV).

L'esperimento fisico, che non è stato ancora realizzato, avrebbe un design simile a quello delle fontane atomiche che gli scienziati attualmente usano come standard per il cronometraggio. Però, invece di atomi solitari, l'esperimento utilizzerebbe molecole composte da tre atomi ciascuna. Attualmente nessuno ha costruito una fontana molecolare con molecole che includono più di due atomi ciascuna. Inoltre, a differenza del precedente, approcci simili, il metodo proposto si concentrerebbe su atomi più leggeri, come il carbonio, che sono più facili da modellare rispetto a quelli più pesanti, come il cesio utilizzato negli orologi da fontana del NIST.

La carta della squadra, pubblicato questa settimana in Revisione fisica A , contiene una proposta per l'esperimento, nonché i migliori calcoli fino ad oggi di quali misurazioni i ricercatori potrebbero aspettarsi di raccogliere. Nei loro nuovi calcoli, i ricercatori sono stati in grado di prevedere quale dovrebbe essere il segnale NSD-PV con un'incertezza di solo il 10%, una precisione molto più elevata rispetto a quella mai ottenuta prima, hanno detto i ricercatori. Se il segnale che gli scienziati alla fine ottengono è significativamente più grande di quanto previsto dai loro calcoli, sarebbe potenzialmente una firma di una nuova fisica, una fisica che va oltre la struttura della nostra comprensione dell'universo.

"In questo lavoro, combiniamo le nostre nuove tecniche sperimentali con i calcoli nucleari e molecolari all'avanguardia dei nostri collaboratori, che apre la strada alla misurazione di alcune delle proprietà meno note delle particelle fondamentali che siamo in grado di misurare, ", ha affermato il ricercatore del NIST Eric Norrgard.

Qual è la grande idea?

L'effetto NSD-PV che è al centro di questo lavoro è legato alla forza debole, una delle quattro forze fondamentali dell'universo. La forza debole è responsabile del decadimento radioattivo e della fusione, che trasformano un tipo di atomo in un altro. Svolge anche un ruolo nelle forze che mantengono gli elettroni in orbita attorno ai nuclei atomici.

A differenza delle altre forze fondamentali, la forza debole sperimenta qualcosa chiamato violazione della parità, che è stato effettivamente scoperto presso il National Bureau of Standards (NBS), l'organizzazione che alla fine divenne NIST. La violazione della parità è quando, ampiamente parlando, l'inversione delle coordinate spaziali di un oggetto non ne inverte il comportamento. (Se alzi cinque dita in uno specchio, e il tuo riflesso ne regge quattro, questa è una violazione della parità!)

Nel caso del NSD-PV, i ricercatori si aspettano una sorta di violazione della parità. Ciò che stanno specificamente cercando sono le aberrazioni nel segnale di violazione della parità, una misurazione della violazione diversa da quella che si aspettano.

Se i loro migliori modelli matematici dicono loro che il segnale NSD-PV dovrebbe essere x, ma le loro misurazioni migliori mostrano loro che il segnale è in realtà y, allora questo può essere un segno che la base per i modelli non è corretta, il che può indicare che l'universo funziona in modo diverso da come pensavamo. Questa è l'importanza di misurare la violazione della parità NSD.

La maggior parte dei gruppi che misurano il NSD-PV guarda ai sistemi in cui l'effetto dovrebbe essere maggiore, in atomi relativamente pesanti, atomi con un numero maggiore di protoni e neutroni. Esempi sono i metalli cesio (55 protoni) e bario (56 protoni).

Ma anche usando atomi pesanti, l'effetto è ancora così piccolo che solo una squadra negli anni '90 è stata in grado di vedere alcun segnale.

L'olandese, I ricercatori e i collaboratori di TRIUMF e NIST hanno deciso di adottare un approccio diverso. E se invece cercassero l'effetto negli atomi più leggeri?

Un approccio unico

Gli atomi pesanti hanno più neutroni, protoni ed elettroni, e questo rende difficile calcolare il loro comportamento. Guardando più leggero, atomi più semplici, gli scienziati possono modellare il sistema con maggiore precisione. Ciò significa che, sebbene i ricercatori cercheranno un effetto minore, possono essere più sicuri quando vedono che è inaspettato.

Per fare i loro calcoli, i ricercatori si sono concentrati su molecole a tre atomi formate da combinazioni degli elementi relativamente leggeri berillio (4 protoni), carbonio (6 protoni), azoto (7 protoni), e magnesio (12 protoni). Per l'esperimento fisico proposto, gli scienziati manipoleranno queste molecole usando un design a fontana.

I fisici lavorano da decenni con le fontane atomiche. Sono una tecnologia così robusta che fungono da standard per il cronometraggio in tutto il mondo. Per fare una fontana, i ricercatori usano i laser per raffreddare gli atomi fino a quando non smettono quasi di muoversi. Quindi gli scienziati usano i magneti per sparare verso l'alto gli atomi stazionari nel vuoto. Quando raggiungono la cima del loro arco, la gravità li riporta giù.

Mentre vengono manipolati in questo modo controllato, gli atomi vengono sondati da un altro laser che li fa diventare fluorescenti. Effettivamente, gli scienziati possono dire in quale stato quantistico si trovano i componenti delle molecole in base al colore della luce che emettono mentre vengono sondati.

Lo studio proposto sarà simile, tranne che invece di singoli atomi la fontana manipolerà molecole di tre atomi.

L'esecuzione dell'esperimento stesso sarà complicata, molto complicata, Norrgard ha detto, poiché intrappolare molecole di tre atomi è ancora ben oltre lo stato dell'arte. Ancora, i ricercatori sono disposti ad affrontare la complicazione aggiunta, poiché il segnale NSD-PV nelle molecole dovrebbe essere circa un trilione di volte più grande rispetto ai singoli atomi.

"In questo momento al NIST, stiamo lavorando per raffreddare e intrappolare molecole biatomiche chimicamente simili a due atomi, che è ancora molto difficile!" disse Norrgard. "Ma le tecniche, l'attrezzatura e l'esperienza necessarie per intrappolare le molecole biatomiche ci aiuteranno a informarci su come intrappolare grandi molecole e ci consentiranno di eseguire la misurazione, " che potrebbe portare gli scienziati un passo avanti nel determinare se i bosoni Z' esistono.