La sfuggente particella di assioni è molte volte più leggera di un elettrone, con proprietà che a malapena fanno impressione sulla materia ordinaria. Come tale, la particella fantasma è uno dei principali contendenti come componente della materia oscura, un ipotetico, tipo invisibile di materia che si pensa costituisca l'85% della massa dell'universo.

Gli assioni hanno finora eluso il rilevamento. I fisici prevedono che se esistono, devono essere prodotti in ambienti estremi, come i nuclei delle stelle al precipizio di una supernova. Quando queste stelle vomitano assioni nell'universo, le particelle, incontrando eventuali campi magnetici circostanti, dovrebbero trasformarsi brevemente in fotoni e potenzialmente rivelarsi.

Ora, I fisici del MIT hanno cercato gli assioni a Betelgeuse, una stella vicina che dovrebbe esaurirsi presto come supernova, almeno su scale temporali astrofisiche. Data la sua imminente scomparsa, Betelgeuse dovrebbe essere una fabbrica naturale di assioni, sfornare costantemente le particelle mentre la stella brucia.

Però, quando il team ha cercato le firme attese degli assioni, sotto forma di fotoni nella banda dei raggi X, la loro ricerca è risultata vuota. I loro risultati escludono l'esistenza di assioni ultraleggeri che possono interagire con i fotoni in un'ampia gamma di energie. I risultati stabiliscono nuovi vincoli sulle proprietà della particella che sono tre volte più forti di qualsiasi precedente esperimento di rilevamento di assioni in laboratorio.

"Quello che dicono i nostri risultati è, se vuoi cercare queste particelle davvero leggere, che abbiamo cercato, non parleranno molto con i fotoni, "dice Kerstin Perez, assistente professore di fisica al MIT. "Fondamentalmente stiamo rendendo la vita di tutti più difficile perché stiamo dicendo, 'dovrai pensare a qualcos'altro che ti dia un segnale assione.'"

Perez e i suoi colleghi hanno pubblicato oggi i loro risultati in Lettere di revisione fisica . I suoi coautori del MIT includono l'autore principale Mengjiao Xiao, Brandon Roach, e Melaina Nynka, insieme a Maurizio Giannotti della Barry University, Oscar Straniero dell'Osservatorio Astronomico d'Abruzzo, Alessandro Mirizzi dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare in Italia, e Brian Grefenstette del Caltech.

A caccia di accoppiamenti

Molti degli esperimenti attuali che cercano gli assioni sono progettati per cercarli come un prodotto dell'effetto Primakoff, un processo che descrive un "accoppiamento" teorico tra assioni e fotoni. Normalmente non si pensa che gli assioni interagiscano con i fotoni, da qui la loro probabilità di essere materia oscura. Però, l'effetto Primakoff prevede che, quando i fotoni sono soggetti a intensi campi magnetici, come nei nuclei stellari, potrebbero trasformarsi in assioni. Il centro di molte stelle dovrebbero quindi essere le fabbriche di assioni naturali.

Quando una stella esplode in una supernova, dovrebbe sfornare gli assioni nell'universo. Se le particelle invisibili si imbattono in un campo magnetico, per esempio tra la stella e la Terra, dovrebbero trasformarsi di nuovo in fotoni, presumibilmente con una certa energia rilevabile. Gli scienziati stanno cercando gli assioni attraverso questo processo, per esempio dal nostro sole.

"Ma il sole ha anche bagliori ed emette continuamente raggi X, ed è difficile da capire, " dice Perez. Lei e i suoi colleghi invece cercavano assioni da Betelgeuse, una stella che normalmente non emette raggi X. La stella è tra quelle più vicine alla Terra che dovrebbero esplodere presto.

"Betelgeuse ha una temperatura e una fase della vita in cui non ti aspetti di vederne uscire i raggi X, attraverso l'astrofisica stellare standard, " spiega Perez. "Ma se le assioni esistono, e stanno uscendo, potremmo vedere una firma a raggi X. Ecco perché questa stella è un bell'oggetto:se vedi i raggi X, è un segnale provante che devono essere assioni".

"I dati sono dati"

I ricercatori hanno cercato le firme a raggi X degli assioni di Betelgeuse, utilizzando i dati acquisiti da NuSTAR, Il telescopio spaziale della NASA che focalizza i raggi X ad alta energia da fonti astrofisiche. Il team ha ottenuto 50 kilosecondi di dati da NuSTAR durante il periodo in cui il telescopio è stato addestrato su Betelgeuse.

I ricercatori hanno quindi modellato una gamma di emissioni di raggi X che potrebbero vedere da Betelgeuse se la stella emettesse assioni. Hanno considerato una gamma di masse che potrebbe essere un'assione, così come una serie di probabilità che gli assioni si "accoppiano" e si riconvertono in un fotone, a seconda dell'intensità del campo magnetico tra la stella e la Terra.

"Tra tutto quel fare la modella, ottieni una gamma di come potrebbe essere il tuo segnale a raggi X di assioni, "dice Perez.

Quando hanno cercato questi segnali nei dati di NuSTAR, però, non hanno trovato nulla al di sopra del loro sfondo previsto o al di fuori di qualsiasi normale fonte astrofisica di raggi X.

"Betelgeuse è probabilmente nelle ultime fasi dell'evoluzione e in tal caso dovrebbe avere una grande probabilità di convertirsi in assioni, " dice Xiao. "Ma i dati sono dati".

Data la gamma di condizioni che consideravano, il risultato nullo della squadra esclude un ampio spazio di possibilità e stabilisce un limite superiore che è tre volte più forte dei limiti precedenti, da ricerche di laboratorio, per quello che deve essere un'assione. In sostanza, questo significa che se gli assioni hanno una massa ultraleggera, i risultati del team mostrano che le particelle devono avere almeno tre volte meno probabilità di accoppiarsi ai fotoni ed emettere raggi X rilevabili.

"Se gli assioni hanno masse ultraleggere, possiamo sicuramente dirti che il loro accoppiamento deve essere molto piccolo, altrimenti l'avremmo visto, "dice Perez.

In definitiva, questo significa che gli scienziati potrebbero dover guardare ad altri, bande di energia meno rilevabili per i segnali di assioni. Però, Perez dice che la ricerca di assioni da Betelgeuse non è finita.

"Ciò che sarebbe eccitante sarebbe se vedessimo una supernova, che accenderebbe un'enorme quantità di assioni che non sarebbero nei raggi X, ma nei raggi gamma, " Dice Perez. "Se una stella esplode e non vediamo le assioni, allora otterremo dei vincoli molto stringenti sull'accoppiamento di un asione ai fotoni. Quindi tutti incrociano le dita perché Betelgeuse se ne vada".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.