Galaxy cluster Abell 1689 seems to be held together by swaths of unseen dark matter; blue shows its theoretically inferred location. But could dark matter be an illusion? Credit: NASA

A caccia di assioni con ADMX

Le ipotetiche particelle denominate assioni furono proposte inizialmente negli anni ’70 per risolvere un problema non collegato direttamente alla materia scura. Man mano che i fisici sviluppavano la teoria dell’interazione nucleare forte, che lega i quark all’interno dei protoni e neutroni, essi notarono qualcosa di sbagliato. Le interazioni all’interno dei neutroni avrebbero dovuto rendere queste particelle elettricamente asimmetriche e farle ruotare in presenza di un campo elettrico. Ad ogni modo, gli esperimenti non mostrano un tale processo per cui ci deve essere qualcosa che manca nella teoria.

Nel 1977, Helen Quinn, una professoressa emerita di fisica della Stanford University ormai in pensione, e Roberto Peccei, all’epoca a Stanford, proposero una semplice modifica all’equazioni matematiche che descrivono l’interazione forte. Il modello denominato Peccei-Quinn è la più importante teoria sviluppata per spiegare il mancato riscontro sperimentale della violazione della cosiddetta simmetria CP prevista dalla cromodinamica quantistica. La teoria permetteva così di rimuovere l’asimmetria elettrica dei neutroni e di predire l’esistenza di una nuova particella: l’assione, che sarebbe il bosone di Goldstone associato alla rottura della simmetria CP. A differenza del bosone di Higgs, gli assioni non sono compresi nel modello standard delle particelle e non sono soggette alle stesse interazioni fondamentali. Se queste particelle esistono davvero, gli assioni dovrebbero essere trasparenti alla radiazione, non interagire direttamente con la materia ordinaria, se non debolmente, e potrebbero essere state prodotte in quantità sufficiente durante le fasi primordiali della storia cosmica per formare l’85 percento della massa che chiamiamo oggi materia scura. “Assumendo che gli assioni esistano, essi quasi certamente potrebbero costituire qualche frazione della materia scura”, spiega il fisico teorico Joseph Conlon della Oxford University. “Gli assioni potrebbero essere una buona spiegazione per descrive qualsiasi cosa che conosciamo della fisica. Credo che queste ipotetiche particelle siano quelle per cui varrebbe la pena scommettere anche se sono molto, ma molto difficili da rivelare”. Anche se, come Conlon, siamo disposti a scommettere che gli assioni effettivamente esistono, certo è un’altra cosa dire che essi sono presenti in determinate proporzioni e con una massa compresa in un intervallo di valori tale da essere rivelata dagli strumenti che abbiamo attualmente a disposizione.

L’esperimento ADMX sarà molto sensibile alla rivelazione degli assioni nell’intervallo 1-10μeV. Credit: ADMX Group

L’esperimento ADMX, che sta per Axion Dark Matter eXperiment, si presenta come una sorta di “esercizio di contraddizione”. Sappiamo che la materia scura è invisibile ma lo scopo dell’esperimento è quello di trasformare le particelle scure in fotoni, cioè in particelle di luce e perciò possono essere rivelati più facilmente. Questa enigmatica materia venne forgiata durante i primissimi istanti di vita dell’Universo, cioè in condizioni di temperature estreme. Tuttavia ADMX opera in condizioni opposte. Inoltre, è noto che la materia scura costituisce la maggior parte della massa di una galassia e ADMX utilizzerà degli apparati alquanto sofisticati che hanno dimensioni microscopiche. A differenza di altre particelle candidate, gli assioni hanno una massa molto piccola, interagiscono molto debolmente con le particelle della materia ordinaria e sono difficili da rivelare. Nel Luglio dello scorso anno, il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti selezionò tre esperimenti sulla materia scura tra cui ADMX (post). Gli altri due esperimenti, Large Underground Xenon (LUX) e Cryogenic Dark Matter Search (CDMS), sono stati entrambi concepiti per trovare un altro candidato: stiamo parlando delle WIMPs, acronimo inglese, che sta per Weakly Interacting Massive Particles, cioè particelle massicce che interagiscono debolmente con la materia. Grazie all’aggiornamento finanziato dal Dipartimento di Energia, i ricercatori hanno aggiunto un dispositivo che serve per raffreddare i rivelatori, ossia dispositivi superconduttori ad interferenza quantistica (Superconducting Quantum Interference Devices, SQUIDs). L’esperimento ADMX fa uso del suo potente campo magnetico per trasformare gli assioni in microonde che un dispositivo SQUID può catturare quando opera ad una specifica frequenza che corrisponde alla massa dell’assione. Queste particelle possono avere una massa dell’ordine di un trilionesimo della massa elettronica mentre per le particelle WIMPs i modelli prevedono una massa centinaia di migliaia di volte superiore a quella degli elettroni. Se da un lato gli esperimenti CDMS e LUX hanno molti altri concorrenti nella caccia alle WIMPs, ADMX si trova quasi da solo nella grande caccia agli assioni. “La gente sta cominciando a innervosirsi per quanto riguarda le particelle WIMPs”, dice Leslie Rosenberg dell’University of Washington, uno dei responsabili del progetto ADMX. “Occorre realizzare un esperimento che ci permetta di rivelare o di abbandonare definitivamente l’ipotesi dell’assione”. Insomma, provare l’esistenza dell’assione rappresenterebbe da un lato una sorta di rivendicazione della teoria sviluppata da Quinn, Peccei e da altri, e dall’altro implicherebbe risolvere, sebbene in parte, il misterioso enigma della materia scura.

Symmetry: Dark horse of the dark matter hunt
arXiv: The Axion Dark Matter eXperiment
arXiv: Axions as Dark Matter Particles
arXiv: Axion Dark Matter Searches
arXiv: Future Directions in the Microwave Cavity Search for Dark Matter Axions
arXiv: Design and performance of the ADMX SQUID-based microwave receiver
arXiv: A Search for Hidden Sector Photons with ADMX
arXiv: A SQUID-based microwave cavity search for dark-matter axions