Assioni

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Quando non rimane altra spiegazione, dev’essere una cosa oscura.

Materia oscura

Con materia oscura si intende solitamente “qualcosa” che produce effetti gravitazionali, pur risultando (finora) completamente non rilevabile. Questi effetti si notano bene nelle galassie che, se fossero costituite solo da materia ordinaria, dovrebbero ruotare in maniera diversa.

Si pensa che la materia oscura sia composta da particelle che non assorbono, non emettono e non riflettono la radiazione, e che quindi non possono essere rivelate studiando la radiazione elettromagnetica. E’ per questo motivo che è chiamata “oscura”.
Si pensa inoltre l’esistenza di una materia oscura che possa interagire con la materia visibile anche in maniera non gravitazionale.

Finora, la materia oscura si è rivelata solo per la sua gravità, quindi uno dei più grandi misteri della fisica è identificare quali siano le particelle che la compongono.
Malgrado la materia oscura rappresenti la componente di materia dominante nell’Universo, e nonostante questo i fisici non sono ancora riusciti a trovare una particella in grado di spiegare il suo comportamento.

Tra le tante particelle candidate ci sono alcune ipotetiche particelle cosiddette “fredde”. Tra queste c’è “l’assione”, senza carica e con massa miliardi di volte inferiore a quella dell’elettrone, teorizzata per compensare certi aspetti legati alla cromodinamica quantistica, la moderna teoria dell’interazione nucleare forte, ovvero la forza che lega le particelle chiamate quark. Gli assioni stanno diventando una delle alternative possibili alle ricerche in questo campo.

Domanda: da dove spuntano fuori gli assioni.
La materia è complessa ma vediamo se riusciamo a capirci qualcosa.

Assioni e supersimmetria

Gli assioni sono stati inventati più di 40 anni fa per giustificare una particolarità delle particelle chiamata “supersimmetria” che possiamo definire come “uguaglianza delle cose”.

La supersimmetria ipotizza che a ogni particella conosciuta corrisponde una superpartner nascosta

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In breve, ogni particella subatomica nota formata da (E) elettroni, (P) protoni, (G) gravitoni, dovrebbe essere accompagnata da una corrispondente particella più pesante, detta (“S”) particella che però nessuno ha mai visto.

E’ simmetrico per esempio un vaso che ruota attorno al proprio asse verticale, ma non lo è rispetto ad un asse orizzontale. In fisica delle particelle sono state individuate diverse simmetrie: rispetto alle trasformazioni di carica (“C”), la parità o trasformate temporali (“P”) e le trasformate temporale (abbreviata con “T”).
I fisici dicono che se l’universo fosse simmetrico, non dovrebbe esistere perché le particelle simmetriche dovrebbero annullarsi. Allora perché esistiamo?

La chiave si chiama rottura spontanea di simmetria.
Nel 1977 fu postulata una nuova possibile simmetria per risolvere questo problema aggiungendo nel Modello Standard chiamata ’simmetria di Peccei-Quinn’ che viene spontaneamente violata. In seguito si fece notare come la nuova simmetria introdotta implicava l’esistenza di una nuova particella, che chiamarono assione.
In poche parole, questa particella sarebbe l’artefice di un nuovo meccanismo, nel senso del “meccanismo di Higgs”, in grado di spiegare la quantità di materia oscura che registriamo oggi nel cosmo.

L’apparente distinzione tra destra e sinistra (simmetria P) non sarebbe stata dunque altro che il riflesso di un’asimmetria tra materia e antimateria (distinte dai segni delle cariche): ciò che è “destra” per la materia sarebbe “sinistra” per l’antimateria e viceversa.

Materia oscura calda e fredda

Negli istanti immediatamente successivi al Big Bang l’universo ha attraversato due fasi di rapida espansioni: una calda ed una fredda che avrebbe generato materia oscura calda e materia oscura fredda.

La materia oscura calda è una forma di materia oscura composta da particelle che viaggiano a velocità relativistiche. Il candidato principale per la materia oscura calda è il neutrino. Alcuni anni fa si pensava che i neutrini potessero essere ritenuti responsabili per la materia oscura, ma con l’attuale conoscenza della loro massa e della loro velocità possono contribuire solo per una frazione insignificante.

La materia oscura fredda (nota come CDM – Cold Dark Matter) è l’ipotetica forma di materia oscura formata da particelle “lente” e quindi “fredde”. Nella CDM la struttura della materia cresce gerarchicamente con piccoli oggetti che collassano per primi accumulandosi progressivamente per comporre via via oggetti sempre più massicci.

La CDM non prevede esattamente quali siano le particelle che la compongono. Le candidate sono tre tipologie di particelle:

  • WIMPs – o Weakly Interacting Massive Particles (particelle massicce a debole interazione) che non interagiscono con la materia circostante ma che hanno una massa considerevole. Attualmente non si conoscono particelle che rispondono a tali requisiti e il loro studio richiede l’uso degli acceleratori di particelle che finora hanno dato esiti negativi.
  • MACHOs – o Massive Compact Halo Objects (oggetti massicci e compatti dell’alone galattico) che possono essere oggetti condensati come i buchi neri, le stelle di neutroni e le nane bianche, oppure stelle molto deboli o oggetti non luminosi come pianeti. La loro ricerca consiste nel ricercare l’effetto di lente gravitazionale che questi oggetti produrrebbero.
  • Assioni


Assioni e ricerca

Ed eccoci arrivati alla origine della giustificazione degli assioni.
Secondo queste previsioni teoriche, l’assione non ha carica elettrica, ha massa molto piccola, compresa tra 10−6 e 10−2 eV/c2, non ha spin, ed interagisce con la materia ordinaria (elettroni, protoni, ecc…) solo molto debolmente, ragione per cui è considerato una particella praticamente invisibile.

Gli assioni stanno diventando una delle alternative possibili alle ricerche in questo campo, e la loro esistenza risolverebbe anche altre lacune nel modello standard della fisica delle particelle.

L’unico problema, comune a tutti i candidati per la materia oscura, è che gli assioni dovrebbero interagire molto raramente con la materia ordinaria, e quindi risultano difficili da rilevare.

L’Axion Dark Matter Experiment  (ADMX) è il primo esperimento al mondo ad aver raggiunto la sensibilità necessaria a “sentire” la presenza di assioni.

Un accorgimento importante è quello di minimizzare il rumore dovuto al calore mantenendo l’apparato a temperature molto basse, circa 0.1 gradi Kelvin (-273 gradi Celsius).  Il team ADMX ha in programma di sintonizzarsi su milioni di frequenze, nella speranza di sentire forte e chiaro il segnale prodotto dai fotoni generati dal decadimento di assioni.
Impresa ardua e finora infruttuosa. Allo stato attuale non c’è alcuna prova della esistenza degli assioni.

I risultati non escludono definitivamente l’esistenza degli assioni, ma l’ambito in cui queste particelle potrebbero esistere ora è decisamente limitato.
Diciamo che è un invito per i fisici a tornare alla lavagna e sviluppare qualche nuova teoria per la caccia alla materia oscura.

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Ingegnere. Io sono responsabile di quello che dico, non di quello che capisci tu. (Massimo Troisi)
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Una risposta a Assioni

  1. musil87 ha detto:

    …oppure si deve cambiare paradigma e pensare alla gravita (ovvero alla struttura stessa dello spazio-tempo) come la proprietà emergente di una struttura microscopica sottostante: una vera e propria fluttuazione entropica che proietta olograficamente la sua traccia sull’orizzonte sferico dell’universo visibile; nessuna teoria di campo quindi per unificare la gravità nel quadro del modello standard delle particelle, ma un nuovo paradigma fisico e cosmologico che può essere messo alla prova dei fatti (microlensing gravitazionale).

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