La materia oscura è una componente molto elusiva dell’universo. Essa è presente nell’universo fin dall’inizio dei tempi, unisce le stelle e le galassie, è invisibile e sottile, e sembra non interagire con la luce o con qualsiasi altro tipo di materia. Se da una parte il modello standard della fisica delle particelle riesce a spiegare molti dei fenomeni naturali, qui presenta un buco e si deve ricercare il tassello mancante nelle nuove particelle fondamentali.
In particolare, i nuovi studi si stanno focalizzando sulla ricerca di un tipo particellare di materia oscura nota come assioni. Ormai sappiamo che la maggior parte dell’universo potrebbe essere costituita da materia oscura che non interagisce con la luce o con qualsiasi altro tipo di radiazione elettromagnetica. Questo la rende estremamente difficile da rilevare. È uno dei sacri Graal dell’era moderna.
I fisici lo cercano da decenni, utilizzando diverse tecniche. Ora, ne è stata ideata un’altra, da Nicolò Crescini dell’Institut Néel, Grenoble, Francia. La sua ricerca nasce a Legnaro, in provincia di Padova, presso i Laboratori Nazionali, dove ha sviluppato un nuovo metodo per la ricerca degli assioni.
Gli assioni sono particelle ipotetiche introdotte negli anni ’70 per colmare una lacuna nel modello standard della fisica delle particelle. In effetti, gli assioni non sono per nulla semplici da trovare.
Prendiamo per esempio il neutrone. Esso è parte integrande del nucleo degli atomi, assieme al protone. Ma nonostante sia a carica complessivamente neutra, la teoria ci dice che esso è costituito da tre particelle fondamentali chiamate quark. E a causa di ciò, ci si aspetta che alcune parti del neutrone siano cariche positivamente e altre negativamente, creando quello che i fisici chiamano un momento di dipolo elettrico.
Tuttavia, tutti i tentativi di misurarlo sono falliti in quanto esso è troppo piccolo per essere rilevato. Esso è un parametro inferiore a una parte su 10 miliardi. Prossimo allo zero matematico. Alla fine degli anni ’70, i fisici delle particelle Roberto Peccei e Helen Quinn cercarono di dare una spiegazione empirica a questo fenomeno che potesse mettere d’accordo teoria ed evidenza, suggerendo che il parametro non fosse zero ma piuttosto una quantità dinamica che ha lentamente perso la sua carica, evolvendosi fino a zero, dopo il Big Bang.
Se pertanto un tale evento si fosse verificato, dovrebbe aver lasciato dietro di sé una moltitudine di particelle leggere. Queste particelle sono state soprannominate “assioni” dal nome di una marca di detergenti, in quanto potevano “chiarire” le idee sul problema dei neutroni. Se dunque gli assioni sono stati creati nell’universo primordiale, sono rimasti in giro da allora. Le loro proprietà soddisfano tutte le esigenze previste per la materia oscura. Per questi motivi, gli assioni sono diventati una delle particelle candidate preferite per la materia oscura.
I metodi usati per cercarli differiscono dai tipici esperimenti di fisica delle particelle che coinvolgono la collisione di particelle in rapido movimento negli acceleratori.
Per cercare gli assioni bisogna individuare le deboli anomalie elettromagnetiche a energie estremamente basse. Queste anomalie, infatti, indicano l’accoppiamento degli assioni con le altre particelle fondamentali. In particolare, gli assioni si accoppiano con gli elettroni.
Un nuovo approccio
Ci sono stati, nel corso dei decenni, molti esperimenti che hanno cercato di svelare i segreti della materia oscura. Il più recente di essi è in costruzione all’Università di Yale negli Stati Uniti e prende di mira l’alone di materia oscura che permea la nostra Galassia, e di conseguenza la Terra. Per rilevare queste anomalie è necessario posizionare un campione di materiale magnetico in un ambiente controllato vicino allo zero assoluto e monitorare le variazioni anomale della magnetizzazione che potrebbero indicare l’attività dell’assione. In buona sostanza un magnetometro, noto come haloscopio. Il suo nome deriva da quello dall’alone di materia oscura della Via Lattea.
La cavità conduttiva immersa in un forte campo magnetico cattura la materia oscura che ci circonda e la converte in luce. Il risultato è un segnale elettromagnetico che appare all’interno della cavità, oscillando con una frequenza caratteristica a seconda della massa dell’assione.
Il sistema funziona come una radio ricevente. Deve essere regolato correttamente per intercettare la frequenza che ci interessa. In pratica, le dimensioni della cavità vengono modificate per adattarsi a diverse frequenze caratteristiche. Se le frequenze dell’assione e della cavità non corrispondono, è come sintonizzare una radio sul canale sbagliato. Ma non è possibile prevedere in anticipo la frequenza giusta ma soltanto scansionare tutte le frequenze potenziali.
C’è un altro problema: le frequenze più alte richiedono cavità più piccole. E la cosmologia indica la frequenza delle decine di gigahertz come l’ultima, promettente frontiera per la ricerca degli assioni. Ma l’esplorazione di questa regione spettrale richiederebbe cavità troppo piccole per catturare una quantità significativa di segnale.
Tuttavia, ci vengono in aiuto i metamateriali. L’esperimento Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) utilizza un nuovo concetto di cavità basato proprio su questi particolari materiali compositi con proprietà che differiscono dai loro costituenti. Sono insomma più della somma delle loro parti. Per fare un esempio, una cavità riempita di barre conduttive di metamateriale può raggiungere una frequenza caratteristica come se fosse un milione di volte più piccola del suo reale volume. Sebbene questa tecnologia sia promettente, ci vorrà ancora qualche anno per metterla a punto.
