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Messaggeri dell’Universo ‘invisibile’

Abbiamo detto varie volte che la materia ordinaria rappresenta quasi il 5% dell’Universo, tutto il resto è qualcosa di invisibile a cui gli scienziati hanno dato il nome di materia scura ed energia scura. Oggi, un gruppo di ricercatori che lavoreranno ad un nuovo esperimento che sarà condotto presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia sperano di far luce su alcuni misteri della fisica ancora irrisolti.

Secondo alcune teorie note con il termine “modelli del lato oscuro”, si ritiene che la materia scura consista di particelle che interagiscono con quelle della materia ordinaria attraverso la gravità (il motivo per cui sappiamo della sua esistenza) e non mediante le altre tre forze della natura (il motivo per cui risulta difficile rivelarle). Queste particelle di materia scura dovrebbero interagire con le particelle a noi note e con sé stesse attraverso delle “forze oscure” che devono essere ancora rivelate. Gli scienziati ritengono che i cosiddetti “fotoni pesanti“, altresì noti come “fotoni scuri”, possano essere i mediatori di tali “forze oscure”, proprio come nel caso dei fotoni dell’interazione elettromagnetica. Sarà, dunque, l’esperimento Heavy Photon Search (HPS), presso il Jefferson Lab, che tenterà di dare la caccia a queste particelle scure e più pesanti dei loro cugini, cioè i fotoni della luce. Nonostante l’idea dei fotoni pesanti esista da circa 30 anni, essa ha guadagnato un nuovo interesse alcuni anni fa quando i teorici suggerirono che poteva spiegare il perché diversi esperimenti abbiano rivelato un eccesso di positroni di alta energia, cioè le antiparticelle degli elettroni, nei raggi cosmici rispetto a quanto ci si aspettava: i dati dell’esperimento PAMELA (post), dell’esperimento AMS-02 a bordo della ISS (post1; post2) e del satellite per raggi-gamma Fermi hanno tutti riportato questo eccesso di positroni. Secondo gli scienziati, questo incremento del numero di positroni potrebbe essere spiegato dall’annichilazione di particelle di materia scura, anche se i dati suggeriscono l’esistenza di una “nuova forza” mediata dai fotoni pesanti.

Se i fotoni pesanti esistono, il passo successivo sarà quello di crearli in laboratorio. Ora, dal punto di vista teorico, un fotone pesante può trasformarsi in un fotone virtuale, cioè sotto forma di una fluttuazione di breve durata dell’energia elettromagnetica. Ciò può verificarsi molto raramente e per un brevissimo intervallo di tempo, implicando che gli esperimenti che producono fotoni virtuali possano generare, in linea di principio, fotoni pesanti. In questo modo, produrre un gran numero di fotoni virtuali potrebbe creare quantità misurabili di fotoni pesanti. Per far questo, i fisici utilizzeranno il Jefferson Lab’s Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) che permetterà di inviare elettroni verso un bersaglio di tungsteno generando un numero elevato di fotoni virtuali e, forse, di alcuni fotoni pesanti. Entrambe le particelle, cioè fotoni virtuali e fotoni pesanti, decadranno in coppie elettroni e positroni. Un rivelatore al silicio posto appena dietro il bersaglio seguirà le tracce delle coppie mentre un calorimetro elettromagnetico misurerà le loro energie. I ricercatori utilizzeranno questa informazione per ricostruire la posizione esatta in cui è stata prodotta la coppia elettrone-positrone e per determinare la massa del fotone originario che l’ha prodotta. Si tratta di misure importanti che hanno lo scopo di rivelare proprio i fotoni pesanti. La massa del fotone pesante è unica, mentre invece i fotoni virtuali appaiono con diversi valori della massa. Inoltre, ai fisici interessa anche la posizione in cui viene prodotta la coppia elettrone-positrone perché i fotoni virtuali decadono quasi istantaneamente all’interno del bersaglio. I fotoni pesanti possono decadere molto più lentamente perciò solo quelli che decadono al di fuori del bersaglio saranno quasi certamente fotoni pesanti. Il calorimetro, la cui costruzione è stata affidata all’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay, in Francia, all’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, in Italia, e al Jefferson Lab, è attualmente sottoposto ad una serie di verifiche sperimentali mentre i fisici che lavorano presso lo SLAC National Accelerator Laboratory hanno programmato di trasportare il loro rivelatore agli inizi del prossimo anno. Insomma, l’esperimento HPS dovrebbe partire nella primavera del 2015.

Symmetry: Searching for a dark light

arXiv: The Heavy Photon Search Experiment

arXiv: The Heavy Photon Search Experiment at Jefferson Lab