ALLA RICERCA DI MATERIA OSCURA CON DUE RADIOTELESCOPI

Cercando assioni attorno alle stelle di neutroni

Un gruppo di ricerca internazionale è andato a caccia di assioni nelle vicinanze di due stelle di neutroni, utilizzando due radiotelescopi e campionando le frequenze radio intorno a 1 GHz. Poiché non è stato visto alcun segnale, i ricercatori sono stati in grado di porre un vincolo alla massa degli assioni, pari a pochi microelettronvolt. Tutti i dettagli su Physical Review Letters

     22/12/2020
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L’immagine illustra come opera la simmetria CP su un mesone. La simmetria CP è violata se osserviamo che il sistema originale (primo frame) decade in una particella diversa dal sistema trasformato CP (quarto frame). Crediti: Kavli Ipmu

Negli anni ’70, i fisici riscontrarono un problema nel modello standard della fisica delle particelle, la teoria che descrive tre delle quattro forze fondamentali della natura: l’interazione elettromagnetica (che tiene insieme le molecole), l’interazione debole (responsabile del decadimento radioattivo) e l’interazione forte (che tiene insieme il nucleo atomico). La quarta forza fondamentale è la gravità. Scoprirono che, mentre la teoria prevede una rottura della simmetria CP nei fenomeni che coinvolgono l’interazione forte, gli esperimenti sembrano indicare il contrario: non c’è evidenza di alcuna violazione di questa simmetria. Questa discrepanza tra teoria e osservazioni è soprannominata il problema della CP forte. Di cosa di tratta e perché ha lasciato perplessi gli scienziati per quasi mezzo secolo?

Nel modello standard, l’elettromagnetismo rispetta la simmetria C (coniugazione di carica, che sostituisce le particelle con antiparticelle), rispetta la simmetria P (di parità, che sostituisce tutte le particelle con le loro controparti speculari, ossia con coordinate spaziali invertite), rispetta la simmetria T (inversione temporale, che sostituisce le interazioni che vanno avanti nel tempo con quelle che vanno indietro nel tempo) e, infine, rispetta le combinazioni delle operazioni di simmetria CP, CT, PT e CPT. Ciò significa che gli esperimenti sensibili all’interazione elettromagnetica non dovrebbero essere in grado di distinguere i sistemi originali da quelli che sono stati trasformati dalle suddette operazioni di simmetria.

Nel caso dell’interazione elettromagnetica, la teoria corrisponde molto bene alle osservazioni. Come anticipato, il problema risiede in una delle due forze nucleari: l’interazione forte. A quanto pare, la teoria consente violazioni dell’operazione di simmetria combinata CP (riflettere le particelle come se fossero allo specchio e cambiare particella con antiparticella) sia per l’interazione debole che per quella forte. Tuttavia, finora le violazioni CP sono state osservate solo per l’interazione debole.

Più specificamente, per le interazioni deboli, la violazione CP si verifica approssimativamente a livello di 1 su 1000 e molti scienziati si aspettavano un livello simile di violazioni per le interazioni forti. Tuttavia, nonostante i fisici sperimentali abbiano cercato ampiamente la violazione CP per l’interazione forte, le ricerche sono risultate vane. Se tale violazione si verifica nell’interazione forte, deve necessariamente essere soppressa di un fattore superiore al miliardo.

Nel 1977, i fisici teorici Roberto Peccei e Helen Quinn hanno proposto una possibile soluzione: hanno ipotizzato una nuova simmetria che sopprime i termini violatori di CP nell’interazione forte, facendo così corrispondere la teoria alle osservazioni. Poco dopo, Steven Weinberg e Frank Wilczek – entrambi vincitori del Premio Nobel per la fisica, rispettivamente nel 1979 e nel 2004 – si sono resi conto che questo meccanismo crea una particella completamente nuova, che Wilczek ha soprannominato “axion” (assione), dal nome di un popolare detersivo per piatti con lo stesso nome, proprio per la sua capacità di “ripulire” il problema della CP.

L’assione dovrebbe essere una particella estremamente leggera, straordinariamente abbondante in natura e non avere carica. Va da sé che, per via di queste caratteristiche, gli assioni sono eccellenti candidati per la materia oscura. In accordo con il modello cosmologico standard, la materia oscura costituisce circa l’85 per cento del contenuto in massa dell’universo, ma la sua natura fondamentale rimane uno dei più grandi misteri della scienza moderna. Scoprire che la materia oscura è fatta di assioni sarebbe una fra le più grandi scoperte della scienza moderna.

Green Bank Telescope in West Virginia, Usa. Crediti: Gbo/Aui/Nsf

Nel 1983, il fisico teorico Pierre Sikivie ha scoperto che gli assioni hanno un’altra notevole proprietà: in presenza di un campo elettromagnetico, dovrebbero – a volte – convertirsi spontaneamente in fotoni facilmente rilevabili.

Quello che una volta si pensava fosse completamente non rilevabile si è così scoperto potenzialmente rilevabile nel momento in cui ci fosse una concentrazione abbastanza alta di assioni e forti campi magnetici.

Quindi potrebbe bastare andare a cercare un posto, nell’universo, dove i campi magnetici sono fortissimi e dove, sperabilmente, ci potrebbero essere molte di queste particelle. Alcuni dei campi magnetici più forti dell’universo circondano le stelle di neutroni. Poiché questi oggetti sono molto massicci, potrebbero anche attrarre un gran numero di assioni. I fisici hanno quindi proposto di cercare eventuali tracce di assioni nelle regioni circostanti le stelle di neutroni. Ora, un gruppo di ricerca internazionale, di cui fa parte Oscar Macias del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, ha fatto esattamente questo, utilizzando due radiotelescopi: il Robert C. Byrd Green Bank Telescope negli Stati Uniti e il radiotelescopio di Effelsberg da 100 metri, in Germania.

Gli obiettivi di questa ricerca erano due stelle di neutroni vicine, note per avere forti campi magnetici – come il centro della Via Lattea, che si stima ospitare mezzo miliardo di stelle di neutroni. Il team ha campionato le frequenze radio intorno a 1 GHz, corrispondenti a masse assioniche da 5 a 11 microelettronvolt, senza trovare nulla. Poiché non è stato visto alcun segnale, questo studio è stato in grado di porre un limite di massa agli assioni – il limite attualmente più forte – pari a pochi microelettronvolt.

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