In una simulazione dell’universo primordiale, subito dopo il Big Bang, stringhe simili a vortici (anello blu scuro) emettono assioni, che dovrebbero essere ancora in circolazione oggi e potrebbero essere la materia oscura che gli astrofisici stanno cercando. Crediti: Malte Buschmann, Princeton University
Avete presente come si gioca ad acqua e fuoco? Appena dato il via, tutti corrono a cercare l’oggetto nascosto. Si dirà acqua se i giocatori sono proprio fuori strada e troppo lontani dall’oggetto, fuochino se invece sono un po’ più vicini e fuoco se sono prossimi a trovarlo. Ecco, secondo uno studio pubblicato su Nature Communications, ai fisici che sono andati alla ricerca degli assioni – i principali contendenti al ruolo di componenti della materia oscura – bisogna dire acqua. Li stanno cercando nel posto sbagliato. Gli autori dello studio lo hanno dedotto usando i risultati di una nuova simulazione che riguarda il modo in cui gli assioni dovrebbero essere stati prodotti poco dopo il Big Bang, 13.6 miliardi di anni fa.
Utilizzando nuove tecniche di calcolo e uno dei computer più potenti al mondo, Benjamin Safdi dell’Università della California, Berkeley, Malte Buschmann dell’Università di Princeton e alcuni colleghi del Mit e del Lawrence Berkeley National Laboratory, hanno simulato l’epoca in cui si presume siano stati prodotti gli assioni, circa un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo dopo la nascita dell’universo e dopo l’inflazione cosmica. La simulazione, condotta al National Research Scientific Computing Center (Nersc) del Berkeley Lab, ha rilevato che la massa dell’assione dovrebbe essere più del doppio di quanto i fisici teorici e sperimentali pensavano: tra 40 e 180 microelettronvolt (μeV), circa un decimiliardesimo della massa dell’elettrone.
Da quando 40 anni fa i fisici hanno iniziato a cercare l’assione, le stime della massa a lui attribuita sono state molto diverse, da pochi μeV a 500 μeV. Ora ci sono indicazioni, riporta Safdi, che la massa sia vicina a 65 μeV. «Il nostro lavoro fornisce la stima a oggi più precisa della massa dell’assione e indica un intervallo specifico di masse che non è attualmente esplorato in laboratorio», afferma.
Infografica che mostra gli attuali esperimenti che stanno dando la caccia agli assioni, e quelli che verranno sviluppati nei prossimi anni. Crediti: Maura Sandri / Media Inaf
I valori di massa trovati nello studio implicano che la tipologia più comune di esperimenti per rilevare queste particelle – basati su una camera di risonanza a microonde contenente un forte campo magnetico, in cui gli scienziati sperano di ottenere la conversione di un assione in una debole onda elettromagnetica – non sarà in grado di rilevarli, indipendentemente da quanto l’esperimento sia ottimizzato. Per riuscire a rilevare l’onda a frequenza più alta generata da un assione di massa maggiore, la camera dovrebbe essere più piccola di qualche centimetro di lato, ha detto Safdi, e quel volume sarebbe troppo piccolo per catturare abbastanza assioni da far sì che il segnale si elevi al di sopra del rumore.
Un nuovo tipo di esperimento, un aloscopio al plasma, che cerca eccitazioni di assioni in un metamateriale, dovrebbe essere sensibile ad assioni di questa massa e potrebbe potenzialmente rilevarli. «Gli studi di base di queste matrici tridimensionali di fili sottili hanno funzionato sorprendentemente bene, molto meglio di quanto ci aspettassimo», afferma Karl van Bibber, professore di ingegneria nucleare della Uc Berkeley che sta costruendo un prototipo di aloscopio al plasma e allo stesso tempo sta partecipando a una ricerca di assioni nella cavità a microonde chiamata Haystac. «L’ultimo risultato di Ben è molto eccitante. Se lo scenario post-inflazione è giusto, dopo quattro decenni la scoperta dell’assione potrebbe essere notevolmente accelerata».
Sempre che gli assioni esistano davvero.
Attualmente sono considerati tra i principali contendenti al ruolo di componenti della materia oscura. I primi tentativi di rilevarli vennero avviati negli anni ’80. Utilizzando le equazioni della ben collaudata teoria delle interazioni tra particelle fondamentali – il cosiddetto Modello Standard – oltre alla teoria del Big Bang – il Modello Cosmologico Standard – è possibile calcolare la massa precisa dell’assione, ma le equazioni sono così difficili che a oggi abbiamo solo stime. Poiché la massa è nota in modo così impreciso, le ricerche che utilizzano cavità a microonde – essenzialmente elaborati ricevitori radio – devono sintonizzarsi su milioni di canali di frequenza per cercare di trovare quello corrispondente alla massa dell’assione.
Insieme al Berkeley Lab, che aveva sviluppato un codice dedicato per una tecnica di simulazione migliore chiamata perfezionamento della mesh adattiva, Safdi e il suo team hanno lavorato a delle simulazioni dove una piccola parte dell’universo in espansione è rappresentata da una griglia tridimensionale su cui vengono risolte le equazioni. Nel perfezionamento della mesh adattiva, la griglia è resa più dettagliata attorno alle aree di interesse e meno dettagliata attorno alle aree dello spazio in cui non accade nulla. Questo concentra la potenza di calcolo sulle parti più importanti della simulazione.
La tecnica ha consentito alla simulazione di Safdi di “vedere” migliaia di volte più in dettaglio intorno alle aree in cui vengono generati gli assioni, consentendo una determinazione più precisa del numero totale di assioni prodotti e, data la massa totale della materia oscura nell’universo, la massa degli assioni. La simulazione ha impiegato 69.632 Cpu del supercomputer Cori con quasi 100 terabyte di Ram, rendendola una delle più grandi simulazioni di materia oscura di qualsiasi tipo condotte fino ad oggi.
La simulazione ha mostrato che dopo l’epoca dell’inflazione si formano piccoli vortici, come stringhe nell’universo primordiale, che liberano assioni come se fossero cavalieri disarcionati da un cavallo. «Potete pensare a queste stringhe come composte da assioni che abbracciano i vortici mentre si agitano formando anelli, collegandosi, subendo molti processi dinamici violenti durante l’espansione del nostro universo, e gli assioni che abbracciano queste corde stanno cercando di resistere durante la corsa», ha detto Safdi. «Ma quando accade qualcosa di troppo violento, vengono sbalzati via e sferzati via da queste corde. E quegli assioni che vengono disarcionati dalle stringhe finiscono per diventare, molto più tardi, la materia oscura».
Tenendo traccia degli assioni che vengono spazzati via, i ricercatori sono in grado di prevedere la quantità di materia oscura che è stata creata. Il perfezionamento della mesh adattiva ha consentito ai ricercatori di simulare l’universo molto più a lungo rispetto alle simulazioni precedenti e su un’area molto più grande.
Così, gli autori sono riusciti a stimare la massa dell’assione sia investendo su una grande potenza di calcolo, sia sfruttando un metodo di simulazione più intelligente. «Non potremmo mai simulare il nostro intero universo perché è troppo grande», spiega Safdi. «Ma non abbiamo bisogno di simulare tutto l’universo. Abbiamo solo bisogno di simulare una porzione abbastanza grande di universo per un periodo di tempo sufficientemente lungo, in modo tale da catturare tutto delle dinamiche che sappiamo essere contenute in quella porzione».
Ora il team sta lavorando con un nuovo cluster di supercalcolo in costruzione presso il Berkeley Lab, che consentirà simulazioni che forniranno una massa ancora più precisa. Il supercomputer di prossima generazione si chiama Perlmutter, dal nome di Saul Perlmutter – un fisico della Uc Berkeley e del Berkeley Lab che ha vinto il Premio Nobel per la fisica nel 2011 per aver scoperto l’espansione accelerata dell’universo guidata dalla cosiddetta energia oscura – e quadruplica la potenza di calcolo del Nersc.
«Vogliamo realizzare simulazioni ancora più grandi a una risoluzione ancora più elevata, che ci consentirà di ridurre queste barre di errore, si spera fino al livello del 10 per cento; quindi potremmo dare un numero molto preciso, come 65 più o meno 2 microelettronvolt. Questo cambierebbe davvero il gioco dal punto di vista sperimentale, perché diventerebbe più facile verificare o escludere l’assione in un intervallo di massa così ristretto», conclude Safdi.
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Communications l’articolo “Dark matter from axion strings with adaptive mesh refinement” di Malte Buschmann, Joshua W. Foster, Anson Hook, Adam Peterson, Don E. Willcox, Weiqun Zhang e Benjamin R. Safdi