Gli scienziati australiani stanno facendo passi da gigante verso la risoluzione di uno dei più grandi misteri dell'universo:la natura della "materia oscura" invisibile.

L'esperimento ORGAN, il primo grande rivelatore di materia oscura in Australia, ha recentemente completato la ricerca di un'ipotetica particella chiamata assione, un candidato popolare tra le teorie che cercano di spiegare la materia oscura.

ORGAN ha posto nuovi limiti alle possibili caratteristiche delle assioni, aiutando così a restringere la ricerca di esse. Ma prima di andare avanti a noi stessi...

Cominciamo con una storia

Circa 14 miliardi di anni fa, tutti i piccoli frammenti di materia, le particelle fondamentali che in seguito sarebbero diventate te, il pianeta e la galassia, erano compressi in una regione molto densa e calda.

Poi è successo il Big Bang e tutto è volato in pezzi. Le particelle si sono combinate in atomi, che alla fine si sono aggregati per formare stelle, che sono esplose e hanno creato tutti i tipi di materia esotica.

Dopo alcuni miliardi di anni arrivò la Terra, che alla fine brulicava di piccole cose chiamate umani. Bella storia, vero? Si scopre che non è l'intera storia; non è nemmeno la metà.

Persone, pianeti, stelle e galassie sono tutti fatti di "materia normale". Ma sappiamo che la materia regolare costituisce solo un sesto di tutta la materia nell'universo.

Il resto è fatto di ciò che chiamiamo "materia oscura". Il suo nome ti dice quasi tutto quello che sappiamo al riguardo. Non emette luce (quindi lo chiamiamo "oscurità") e ha massa (quindi lo chiamiamo "materia").

Se è invisibile, come facciamo a sapere che è lì?

Quando osserviamo il modo in cui le cose si muovono nello spazio, scopriamo più volte che non possiamo spiegare le nostre osservazioni se consideriamo solo ciò che possiamo vedere.

Le galassie rotanti sono un ottimo esempio. La maggior parte delle galassie ruota a velocità che non possono essere spiegate dall'attrazione gravitazionale della sola materia visibile.

Quindi ci deve essere materia oscura in queste galassie, che fornisce gravità extra e consente loro di ruotare più velocemente, senza che le parti vengano lanciate nello spazio. Pensiamo che la materia oscura tenga letteralmente insieme le galassie.

Quindi ci deve essere un'enorme quantità di materia oscura nell'universo, che attira tutte le cose che possiamo vedere. Sta passando anche attraverso te, come una specie di fantasma cosmico. Non riesci proprio a sentirlo.

Come potremmo rilevarlo?

Molti scienziati ritengono che la materia oscura possa essere composta da ipotetiche particelle chiamate assioni. Gli assioni sono stati originariamente proposti come parte di una soluzione a un altro importante problema della fisica delle particelle chiamato "problema CP forte" (di cui potremmo scrivere un intero articolo).

Ad ogni modo, dopo la proposta dell'assione, gli scienziati si sono resi conto che la particella poteva anche costituire materia oscura in determinate condizioni. Questo perché ci si aspetta che gli assioni abbiano interazioni molto deboli con la materia regolare, ma abbiano comunque una certa massa:le due condizioni necessarie per la materia oscura.

Allora come si fa a cercare gli assioni?

Bene, poiché si pensa che la materia oscura sia tutt'intorno a noi, possiamo costruire rivelatori proprio qui sulla Terra. E, fortunatamente, la teoria che prevede gli assioni prevede anche che gli assioni possano convertirsi in fotoni (particelle di luce) nelle giuste condizioni.

Questa è una buona notizia, perché siamo bravi a rilevare i fotoni. E questo è esattamente ciò che fa ORGAN. Progetta le condizioni corrette per la conversione assone-fotone e cerca segnali di fotoni deboli, piccoli lampi di luce generati dalla materia oscura che passa attraverso il rivelatore.

Questo tipo di esperimento è chiamato aloscopio axion ed è stato proposto per la prima volta negli anni '80. Ce ne sono alcuni nel mondo oggi, ognuno leggermente diverso in modi importanti.

Illuminiamo la materia oscura

Si ritiene che un assione si converta in un fotone in presenza di un forte campo magnetico. In un tipico haloscopio, generiamo questo campo magnetico utilizzando un grande elettromagnete chiamato "solenoide superconduttore".

All'interno del campo magnetico posizioniamo una o più camere cave di metallo, che hanno lo scopo di intrappolare i fotoni e farli rimbalzare all'interno, rendendoli più facili da rilevare.

Tuttavia, c'è un inconveniente. Tutto ciò che ha una temperatura emette costantemente piccoli lampi di luce casuali (motivo per cui le termocamere funzionano). Queste emissioni casuali, o "rumore", rendono più difficile rilevare i deboli segnali di materia oscura che stiamo cercando.

Per ovviare a questo problema, abbiamo posizionato il nostro risonatore in un "frigorifero di diluizione". Questo elegante frigorifero raffredda l'esperimento a temperature criogeniche, circa -273°C, il che riduce notevolmente il rumore.

Più freddo è l'esperimento, meglio possiamo "ascoltare" i deboli fotoni prodotti durante la conversione della materia oscura.

Targeting per regioni di massa

Un assione di una certa massa si converte in un fotone di una certa frequenza o colore. Ma poiché la massa degli assioni è sconosciuta, gli esperimenti devono indirizzare la loro ricerca a regioni diverse, concentrandosi su quelle in cui si ritiene che la materia oscura esista con maggiore probabilità.

Se non viene trovato alcun segnale di materia oscura, l'esperimento non è abbastanza sensibile da sentire il segnale al di sopra del rumore, oppure non c'è materia oscura nella corrispondente regione di massa dell'assio.

Quando ciò accade, abbiamo impostato un "limite di esclusione", che è solo un modo per dire "non abbiamo trovato alcuna materia oscura in questo intervallo di massa, a questo livello di sensibilità". Questo dice al resto della comunità di ricerca sulla materia oscura di dirigere le proprie ricerche altrove.

ORGAN è l'esperimento più sensibile nella sua gamma di frequenze mirata. La sua corsa recente non ha rilevato segnali di materia oscura. Questo risultato ha fissato un importante limite di esclusione sulle possibili caratteristiche degli assioni.

Questa è la prima fase di un piano pluriennale per la ricerca di assioni. Attualmente stiamo preparando il prossimo esperimento, che sarà più sensibile e mirerà a un nuovo intervallo di massa ancora inesplorato.

Ma perché la materia oscura è importante?

Bene, per esempio, sappiamo dalla storia che quando investiamo nella fisica fondamentale, finiamo per sviluppare tecnologie importanti. Ad esempio, tutta l'informatica moderna si basa sulla nostra comprensione della meccanica quantistica.

Non avremmo mai scoperto l'elettricità, o le onde radio, se non avessimo perseguito cose che, all'epoca, sembravano essere strani fenomeni fisici al di là della nostra comprensione. La materia oscura è la stessa.

Considera tutto ciò che gli umani hanno realizzato comprendendo solo un sesto della materia nell'universo e immagina cosa potremmo fare se sbloccassimo il resto. + Esplora ulteriormente

Alla ricerca della materia oscura con l'aloscopio

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.