Convertire la materia oscura invisibile in luce visibile

Le esplorazioni sulla materia oscura stanno avanzando utilizzando nuove tecniche sperimentali progettate per rilevare gli assi e sfruttando la tecnologia avanzata e la collaborazione interdisciplinare per scoprire i segreti di questa sfuggente componente dell'universo.

Un fantasma infesta il nostro mondo. Questo è noto in astronomia e cosmologia da decenni. Appunti Lo suggerisco circa l'85% Tutta la materia nell'universo è misteriosa e invisibile. Queste due qualità si riflettono nel suo nome: materia oscura.

Diversi esperimenti Mirano a scoprire i loro ingredienti, ma nonostante decenni di ricerca, gli scienziati non hanno avuto successo. Ora La nostra nuova esperienzain costruzione nel Università di Yale Negli Stati Uniti offre una nuova tattica.

La materia oscura è presente nell’universo fin dall’inizio dei tempi. Metti insieme stelle e galassie. Invisibile e sottile, non sembra interagire con la luce o con qualsiasi altro tipo di materia. In effetti, dovrebbe essere qualcosa di completamente nuovo.

Il Modello Standard della fisica delle particelle è incompleto e questo è un problema. Dobbiamo cercare il nuovo Particelle fondamentali. Sorprendentemente, gli stessi difetti del modello standard forniscono preziosi indizi su dove potrebbero nascondersi.

Il problema con il neutrone

Prendiamo ad esempio il neutrone. Forma il nucleo atomico con il protone. Sebbene generalmente neutro, la teoria afferma che è composto da tre particelle cariche chiamate quark. Per questo motivo, ci aspettiamo che alcune parti del neutrone siano caricate positivamente e altre negativamente, il che significa che possiede quello che i fisici chiamano momento di dipolo elettrico.

Finora, Molti tentativi Misurarlo portava alla stessa conclusione: è troppo piccolo per essere scoperto. Un altro fantasma. Non stiamo parlando di carenze degli strumenti, ma piuttosto di un fattore che deve essere inferiore a una parte su dieci miliardi. È così piccolo che la gente si chiede se potrebbe essere completamente pari a zero.

Ma in fisica, lo zero matematico è sempre un’affermazione forte. Alla fine degli anni ’70, i fisici delle particelle Roberto Picci e Helen Coyne (e più tardi Frank Wilczek e Steven Weinberg) tentarono di scoprire Comprendere la teoria e le prove.

Hanno suggerito che il parametro probabilmente non è zero. Si tratta piuttosto di una quantità dinamica che perde lentamente la sua carica, per poi evolvere verso zero la grande esplosione. I calcoli teorici mostrano che se si è verificato un evento del genere, deve aver lasciato dietro di sé un gran numero di particelle di luce illusorie.

Sono chiamati “assoni” dal nome di una marca di detersivo perché possono “risolvere” il problema dei neutroni. E anche di più. Se gli assioni fossero stati creati all'inizio dell'universo, sarebbero esistiti da allora. Ancora più importante, le sue proprietà definiscono tutti gli elementi attesi della materia oscura. Per questi motivi gli hub sono diventati uno dei Particelle candidate preferite Per la materia oscura.

Gli assioni interagiranno con altre particelle solo debolmente. Tuttavia, ciò significa che interagiranno ancora parecchio. Gli assi invisibili possono trasformarsi in particelle ordinarie, inclusi – ironicamente – i fotoni, l’essenza della luce. Ciò può accadere in determinate condizioni, come la presenza di un campo magnetico. Questa è una manna dal cielo per i fisici sperimentali.

Design sperimentale

Molti esperimenti Tentano di evocare il fantasma di Axion in un ambiente di laboratorio controllato. Alcuni di essi mirano, ad esempio, a convertire la luce in asse e poi a trasformare l'asse in luce dall'altra parte del muro.

Al momento, l’approccio più sensibile prende di mira l’alone di materia oscura che permea la galassia (e quindi la Terra) utilizzando un dispositivo chiamato corona. È una cavità conduttiva immersa in un forte campo magnetico. Il primo capta la materia oscura che ci circonda (supponendo che si tratti di assoni), mentre il secondo la spinge a trasformarsi in luce. Il risultato è un segnale elettromagnetico che appare all'interno della cavità, oscillando ad una frequenza caratteristica dipendente dalla massa dell'assione.

Il sistema funziona come un ricevitore radio. Deve essere opportunamente regolato per intercettare la frequenza di interesse. In pratica, le dimensioni della cavità vengono modificate per accogliere frequenze caratteristiche diverse. Se le frequenze degli assioni e delle cavità non corrispondono, è come sintonizzare la radio sul canale sbagliato.

Il potente magnete viene trasportato nel laboratorio dell'Università di Yale. Credito: Università di Yale

Sfortunatamente, il canale che stiamo cercando non può essere previsto in anticipo. Non abbiamo altra scelta che scansionare tutte le frequenze possibili. È come selezionare una stazione radio in un mare di rumore bianco – un ago in un pagliaio – con una vecchia radio che deve essere ingrandita o rimpicciolita ogni volta che giriamo la manopola della frequenza.

Tuttavia, queste non sono le uniche sfide. La cosmologia si riferisce a Decine di gigahertz Come l'ultima promettente frontiera della ricerca degli assioni. Poiché le frequenze più alte richiedono cavità più piccole, l’esplorazione di quella regione richiederebbe cavità troppo piccole per catturare una quantità significativa di segnale.

Nuovi esperimenti cercano di trovare percorsi alternativi. Nostro Esperimento al plasmascopio longitudinale (Alpha). Utilizza un nuovo concetto di cavitazione basato su metamateriali.

I metamateriali sono materiali compositi con proprietà universali che differiscono dai loro componenti: sono più della somma delle loro parti. Una cavità piena di bacchette conduttrici ha una frequenza caratteristica come se fosse un milione di volte più piccola, mentre le sue dimensioni cambiano appena. Questo è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. Inoltre, le barre offrono un sistema di regolazione integrato e facile da regolare.

Attualmente stiamo costruendo il setup, che sarà pronto per ricevere i dati tra qualche anno. La tecnologia è promettente. Il suo sviluppo è stato il risultato della collaborazione tra fisici dello stato solido, ingegneri elettrici, fisici delle particelle e persino matematici.

Anche se inverosimili, gli assioni stanno alimentando un progresso che nessuno spettro sarà mai in grado di eliminare.

Scritto da Andrea Gallo Russo, Postdoctoral Fellow in Fisica, Università di Stoccolma.

Adattato da un articolo originariamente pubblicato in Conversazione.