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 rilevatore 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 degli assioni e ha quindi contribuito a restringere la loro ricerca. Ma prima di andare troppo avanti...
Iniziamo con una storia
Circa 14 miliardi di anni fa, tutti i piccoli frammenti di materia – le particelle fondamentali che poi sarebbero diventate noi, il pianeta e la galassia – erano compressi in un’unica regione calda e molto densa.
Poi è avvenuto il Big Bang e tutto è andato in pezzi. Le particelle si combinarono in atomi, che alla fine si aggregarono per formare stelle, che esplosero creando ogni tipo di materia esotica.
Dopo qualche miliardo di anni arrivò la Terra, che alla fine brulicava di piccole cose chiamate esseri umani. Bella storia, vero? Si scopre che non è tutta la storia; non è nemmeno la metà.
Le persone, i pianeti, le stelle e le galassie sono tutti costituiti da materia regolare. Ma sappiamo che la materia normale costituisce solo un sesto di tutta la materia presente nell’universo.
Il resto è fatto di quella che chiamiamo materia oscura. Il suo nome dice quasi tutto ciò che sappiamo al riguardo. Non emette luce (per questo lo chiamiamo buio) e ha massa (per questo 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 ripetutamente 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 solo dalla forza gravitazionale della materia visibile.
Quindi deve esserci materia oscura in queste galassie, che fornisce gravità extra e consente loro di ruotare più velocemente, senza che parti vengano scagliate nello spazio. Pensiamo che la materia oscura tenga letteralmente insieme le galassie.
Quindi deve esserci un’enorme quantità di materia oscura nell’universo, che attira tutto ciò che possiamo vedere. Passa anche attraverso te, come una specie di fantasma cosmico. Non puoi proprio sentirlo.
Come potremmo rilevarlo?
Molti scienziati ritengono che la materia oscura potrebbe essere composta da ipotetiche particelle chiamate assioni. Gli assioni furono originariamente proposti come parte di una soluzione a un altro importante problema della fisica delle particelle chiamato il problema della CP forte (su cui potremmo scrivere un intero articolo).
Tuttavia, dopo la proposta dell'assione, gli scienziati si resero conto che, in determinate condizioni, la particella poteva anche costituire materia oscura. Questo perché si prevede 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 ovunque intorno a noi, possiamo costruire rilevatori 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 bravissimi a rilevare i fotoni. E questo è esattamente ciò che fa ORGAN. Progetta le condizioni corrette per la conversione assione-fotone e cerca segnali fotonici deboli, piccoli lampi di luce generati dalla materia oscura che passa attraverso il rilevatore.
Questo tipo di esperimento è chiamato aloscopio ad assioni ed è stato proposto per la prima volta nel 1980 secondi. Ce ne sono alcuni nel mondo oggi, ognuno leggermente diverso in modi importanti.
Fare luce sulla materia oscura
Si ritiene che un assione si converta in un fotone in presenza di un forte campo magnetico. In un tipico aloscopio, 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 funzionano le termocamere). Queste emissioni casuali, o rumore, rendono più difficile rilevare i deboli segnali di materia oscura che stiamo cercando.
Per risolvere questo problema, abbiamo posizionato il nostro risonatore in un frigorifero per diluizione. Questo fantastico frigorifero raffredda l'esperimento a temperature criogeniche, circa -273°C, riducendo notevolmente il rumore.
Più l’esperimento è freddo, meglio possiamo “ascoltare” i deboli fotoni prodotti durante la conversione della materia oscura.
Puntare alle regioni di massa
Un assione di una certa massa si convertirà in un fotone di una certa frequenza o colore. Ma poiché la massa degli assioni è sconosciuta, gli esperimenti devono indirizzare la loro ricerca verso diverse regioni, concentrandosi su quelle in cui si ritiene che esista con maggiore probabilità la materia oscura.
Se non viene trovato alcun segnale di materia oscura, allora o 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'assione.
Quando ciò accade, fissiamo un “limite di esclusione”, che è solo un modo per dire “non abbiamo trovato materia oscura in questo intervallo di massa, a questo livello di sensibilità”. Questo dice al resto della comunità di ricerca sulla materia oscura di indirizzare le proprie ricerche altrove.
ORGAN è l'esperimento più sensibile nella sua gamma di frequenze target. La sua recente corsa non ha rilevato segnali di materia oscura. Questo risultato ha posto un importante limite di esclusione sulle possibili caratteristiche degli assioni.
Questa è la prima fase di un piano pluriennale per la ricerca degli assioni. Stiamo attualmente 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?
Ebbene, 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 ricercato cose che, all'epoca, sembravano strani fenomeni fisici al di là della nostra comprensione. La materia oscura è la stessa.
Considera tutto ciò che gli esseri umani hanno realizzato comprendendo solo un sesto della materia dell’universo e immagina cosa potremmo fare se sbloccassimo il resto.
Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.
Immagine di credito: Collaborazione Illustris
