Assione Materia oscura

Il assione è un'ipotetica particella ultraleggera che è diventata uno dei candidati più convincenti per materia oscura - la sostanza invisibile che costituisce circa l'85% della materia nell'universo. Ciò che rende l’assione particolarmente attraente è che non è stato inventato per spiegare la materia oscura. È stato proposto per risolvere un problema completamente separato e solo in seguito si è rivelato essere anche un candidato naturale per la materia oscura.

Il problema del CP forte

La teoria della forza nucleare forte, la cromodinamica quantistica, consente un termine che renderebbe i neutroni leggermente sbilanciati nella carica, dando loro un momento di dipolo elettrico. Gli esperimenti mostrano che il momento di dipolo del neutrone è sorprendentemente vicino allo zero, molto più piccolo di quanto la teoria si aspetta naturalmente. Perché la forza forte rispetta questa simmetria in modo così preciso è problema del CP forte. Nel 1977 Roberto Peccei e Helen Quinn proposero un'elegante soluzione: una nuova simmetria che porta dinamicamente a zero il termine incriminato. L'assione è la particella rimanente prevista da questo meccanismo.

Perché chi risolve problemi crea una buona materia oscura

L’assione che emerge è estremamente leggero – forse un trilionesimo della massa di un elettrone o meno – e interagisce solo debolmente con la materia ordinaria. Nell’universo primordiale, gli assioni sarebbero stati prodotti in gran numero, senza muoversi velocemente, formando uno sfondo freddo e invisibile che gravita esattamente come deve fare la materia oscura. Una particella introdotta per fissare la forza forte funge quindi anche da principale spiegazione della massa cosmica che non possiamo vedere. Versioni più generali, chiamate particelle simili ad assioni, compaiono in molte teorie oltre il Modello Standard.

Come gli esperimenti vanno a caccia di assioni

Gli assioni possono convertirsi in fotoni in un forte campo magnetico. Rivelatori chiamati aloscopi – come l’esperimento ADMX – utilizzano un potente magnete e una cavità a microonde finemente sintonizzata per cercare di catturare gli assioni della materia oscura che si convertono in deboli fotoni a radiofrequenza. Poiché la massa dell'assione è sconosciuta, gli esperimenti devono esplorare lentamente molte frequenze possibili, come sintonizzare una radio per una stazione di cui nessuno conosce il numero. Gli astronomi cercano anche i fotoni che gli assioni produrrebbero vicino a stelle di neutroni magnetizzate e in nubi di gas distanti.

Un malinteso comune

Gli assioni non sono gli stessi WIMP (particelle massicce che interagiscono debolmente) che a lungo hanno dominato le ricerche sulla materia oscura. I WIMP sono pesanti; gli assioni sono straordinariamente leggeri. I due rappresentano scommesse teoriche molto diverse su cosa sia la materia oscura e, poiché le ricerche WIMP sono risultate vuote, gli assioni hanno attirato una crescente attenzione.

Come un aloscopio cattura un assione

Il principio di rilevamento si basa su un fatto: in un forte campo magnetico un assione può trasformarsi in un fotone con la stessa energia totale. Poiché l'energia di un assione di materia oscura è quasi interamente la sua massa a riposo, la frequenza del fotone è fissata dalla massa dell'assione attraverso E = hf = m_ac². Per la finestra di massa favorita di pochi microelettronvolt, che si colloca nella banda delle microonde:

m_a ≈ 1–100 µeV → f ≈ 0,24–24 GHz

Un esperimento come ADMX colloca una cavità a microonde sintonizzabile all'interno di un potente magnete e ne spazza lentamente la frequenza di risonanza, ascoltando un leggero eccesso di fotoni nella sintonizzazione della cavità. Poiché la massa dell’assione è sconosciuta, la ricerca è scrupolosa: ogni impostazione sonda solo un frammento di frequenza, quindi coprire l’intero intervallo richiede anni. Il segnale atteso è straordinariamente debole, intorno a 10⁻²³ watt, motivo per cui questi rilevatori utilizzano amplificatori quantici limitati raffreddati quasi allo zero assoluto.