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Assione: ancora nessuna evidenza sperimentale

Utilizzare l’infinitamente grande per andare a caccia dell’infinitamente piccolo. È quando ha fatto un team internazionale di scienziati guidati dall’Università di Cambridge, che ha pensato di cercare minuscole particelle dette assioni servendosi del più grande laboratorio esistente, l’universo. Per questo ha chiesto aiuto a una delle missioni cardine nell’esplorazione del cosmo, il telescopio orbitale Chandra della Nasa.

Obiettivo del team di ricerca era effettuare uno dei primi test sperimentali della teoria delle stringhe, secondo cui tutta la materia è formata da minuscole stringhe vibranti. Combinando meccanica quantistica e relatività generale, la teoria delle stringhe punta a costruire la cosiddetta teoria del tutto.

Si tratta di un tentativo – non ancora dimostrato – di unire tutte le forze, particelle e interazioni esistenti nell’universo. Tra gli elementi predetti dalla teoria del tutto ci sono appunto gli assioni, particelle elementari ancora mai osservate sperimentalmente.

assione perseus
L’ammasso di galassie di Perseo, ripreso ai raggi X nei colori rosso, verde e blu. Le osservazioni del telescopio spaziale Chandra e durate 5 giorni del buco nero supermassiccio al centro dell’ammasso, visibile nell’ingrandimento in basso a destra, non hanno mostrato evidenza di particelle ALP. Crediti: NASA/CXC/Univ. of Cambridge/C. Reynolds et al.

Ma perché utilizzare proprio Chandra per andare a cercare queste particelle ipotetiche? La risposta sta nella capacità del telescopio Nasa di osservare il cielo nei raggi X. In particolare, si pensa che gli ammassi di galassie – con le loro potenti emissioni di raggi X – possano essere luoghi eccellenti per trovare la prova dell’esistenza degli assioni.

In particolare, gli scienziati si sono concentrati sulle immagini scattate da Chandra all’ammasso di Perseo, situato a circa 240 milioni di anni luce da noi. Il telescopio ha raccolto dati per cinque giorni consecutivi sul buco nero supermassiccio nel cuore dell’ammasso di galassie.

Eventuali tracce degli assioni sarebbero dovute emergere da queste osservazioni. E invece questo è stato uno di quei casi nella scienza in cui un risultato negativoè pur sempre un risultato. Gli scienziati non hanno trovato i tanto agognati assioni, il che li ha indotti a escludere almeno alcune versioni della teoria delle stringhe. Il che non significa che la teoria sia stata falsificata, semplicemente si è ristretto l’insieme delle condizioni necessarie per la sua validazione.

«Fino a poco tempo fa non avevo idea di quanto gli astronomi nei raggi X potessero dare un contributo sulla Teoria delle stringhe, ma ora so che possono avere un ruolo molto importante», commenta Christopher Reynolds dell’Università di Cambridge nel Regno Unito,  il ricercatore che ha guidato lo studio, pubblicato sulla rivista The Astrophysical Journal.  «Se queste particelle venissero finalmente rilevate, la fisica cambierebbe per sempre».

Una delle proprietà che rende così elusivi – ammesso che esistano – gli assioni è proprio la loro massa, che dovrebbe essere straordinariamente bassa. Quanto? Da circa un milionesimo della massa di un elettrone fino a zero. Qualunque valore non nullo potrebbe addirittura poter spiegare l’enigma della materia oscura, che rappresenta la stragrande  maggioranza del della massa di cui è composto l’universo.

Un’ulteriore e ancor più insolita proprietà degli assioni è che essi possano convertirsi in fotoni (ovvero i quanti di luce, pura radiazione) attraversando campi magnetici e, parimenti, che i fotoni in particolari condizioni possano convertirsi in assioni.

La elevatissima accuratezza delle misure ottenute da Chandra suggerisce che la massa di queste ipotetiche particelle dovrebbe essere inferiore al milionesimo di miliardesimo di quella dell’elettrone oppure superiore a quella consentita dagli strumenti di Chandra. Insomma, un bel colpo a molte delle teorie delle stringhe, in attesa dei risultati di altri esperimenti e osservazioni astrofisiche già programmate in tutto il mondo.

«Questo studio e’ un bell’esempio di come l’astrofisica delle alte energie, in questo caso osservazioni spaziali nei raggi X di un nucleo galattico attivo al centro dell’ammasso di Perseo, possano avere importanti riscontri sia per scoperte di astrofisica in sé e sia per avanzare le nostre conoscenze di fisica delle particelle elementari e fisica teorica che non sarebbero possibili con laboratori terrestri» sottolinea Tombesi.

I risultati dello studio, apparso su The Astrophysical Journal, suggeriscono due interpretazioni principali. La più drastica è che particelle simili agli assioni di fatto non esistano. Un’altra possibilità è che gli assioni vengano convertiti in fotoni meno facilmente di quanto prevedano alcuni modelli fisici: questo spiegherebbe perché Chandra non è riuscito a catturarli. In entrambi i casi, la caccia alla chiave per rendere coerente la teoria del tutto continua.

Cosa sono gli assioni?

Una nuova particella elementare, l’assione, è stata teorizzata negli anni settanta da R.D. Peccei, H. Quinn, S. Weinberg e F. Wilczek per spiegare perché le cariche elettriche si distribuiscono omogeneamente all’interno di un neutrone e non formano un dipolo elettrico, come accade per esempio in una molecola d’acqua.

Poco dopo questa previsione, esperimenti a collisori di particelle e studi sull’evoluzione stellare hanno mostrato che l’assione, se esiste, deve essere una particella molto leggera, con una massa inferiore a 1 eV (circa un milionesimo della massa dell’elettrone) e con una interazione con la materia estremamente debole.

Da allora, è stato chiamato “l’assione invisibile”. Una tale particella leggera, però se esiste, sarebbe stata prodotta abbondantemente nell’Universo primordiale e dovrebbe formerebbe oggi l’alone di materia oscura della nostra galassia.

Perché introdurre gli assioni

Come dimostrato da Gerardus ‘t Hooft, senza l’introduzione degli assioni le equazioni della cromodinamica quantistica predicono che in alcuni casi l’interazione nucleare forte possa violare sia la simmetria di carica sia quella di parità, indicate complessivamente come simmetria CP; insieme agli effetti dell’interazione debole, la violazione della simmetria CP, indicata con , compare nel Modello Standard come un parametro indipendente, non predetto dalla teoria ma misurabile.

Una violazione della simmetria CP comporterebbe infatti la presenza di un elevato momento di dipolo elettrico per il neutrone, finora però mai osservato; da ciò deriva che  dovrebbe avere valori molto piccoli o essere totalmente assente. Sorge dunque un ulteriore problema: perché questo parametro è così prossimo a zero?

Una semplice soluzione al problema è la seguente: se almeno un quark descritto dal Modello Standard fosse senza massa,  diventerebbe inosservabile e scomparirebbe dal modello; in realtà forti indizi indicano che tutti i quark possiedono una massa, mantenendo così aperta la questione.

Nel 1977 Roberto Peccei e Helen Quinn postularono una nuova possibile simmetria per risolvere questo problema: associarono a  un campo quantistico, aggiungendo nel Modello Standard una nuova simmetria (chiamata simmetria di Peccei-Quinn) che viene spontaneamente violata. In seguito, Frank Wilczek e Steven Weinberg fecero notare come la nuova simmetria introdotta implicava l’esistenza di una nuova particella, che chiamarono assione.

È stato fatto notare che l’esistenza degli assioni è una componente necessaria anche per la teoria delle stringhe.

Proprietà attese

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.

Esiste la possibilità che gli assioni possano trasformarsi in fotoni e viceversa in presenza di intensi campi magnetici, e gli attuali esperimenti volti a rintracciare la presenza di queste particelle tentano di sfruttare proprio questa proprietà.

Nella teoria supersimmetrica l’assione possiede sia un superpartner fermionico sia un superpartner scalare, chiamati rispettivamente assino e s-assione. In alcuni modelli fisici, s-assione coincide con il dilatone.

Implicazioni cosmologiche

Nonostante gli studi abbiano escluso l’esistenza di assioni con massa elevata e quella prevista sia estremamente piccola, la teoria prevede che l’universo dovrebbe essere permeato di un condensato di Bose-Einstein molto freddo composto da questi assioni primordiali.

Essi dunque potrebbero spiegare, almeno in parte, la natura della materia oscura, problema centrale della cosmologia moderna. Gli odierni metodi per la ricerca di assioni difettano però nell’accuratezza delle misure e l’esperimento ADMX ha indicato l’assenza di assioni con masse superiori ai 10−6 eV, cosa che eliminerebbe il loro contributo alla materia oscura.

Gli assioni, anche se di piccola massa, potrebbero inoltre influenzare la struttura delle galassie: precipitando continuamente in questi agglomerati stellari dal mezzo intergalattico si addenserebbero in strutture ad anello.

Gli effetti gravitazionali di questi anelli sulle galassie stesse e sulla loro rotazione potrebbero essere osservabili. Altri candidati per la materia oscura fredda (WIMP e MACHO) potrebbero formare questi anelli, ma, essendo fermioni, tali strutture risulterebbero meno evidenti rispetto a quelle formate da bosoni come gli assioni.

Altri dubbi sull’esistenza degli Assioni

Nel novembre 2017 un gruppo europeo, guidato da ricercatori dell’Università del Sussex (Uk), ha pubblicato recentemente un articolo sulla rivista Physical Review X in cui mostra che l’assione, per come teorizzato, non esiste.

Basandosi sui dati raccolti in precedenza sia dall’esperimento svizzero nEDM (neutron Electric Dipole Moment) che da un analogo francese presso l’Institut Laue-Langevin a Grenoble, entrambi finalizzati alla misura della distribuzione di carica positiva e negativa all’interno del neutrone, i ricercatori hanno dimostrato nel nuovo studio che l’assione, se esiste, deve rispondere a limiti molto più stringenti di quanto ritenuto finora, sia per quanto riguarda la massa che per la maniera di interagire con la materia ordinaria.

Lo studio si basava sull’assunto che l’interazione tra gli assioni, da una parte, e gli atomi di mercurio 199 e i neutroni ultra-freddi utilizzati negli esperimenti, dall’altra, avrebbe prodotto delle “oscillazioni”, molto piccole ma rilevabili.

L’assenza di segnali di oscillazione nell’esperimento ha permesso agli scienziati di fissare il primo limite di laboratorio sull’intensità dell’interazione tra assioni e gluoni, migliorando quella ottenuta da osservazioni astrofisiche dell’elio 4 di un fattore 1000.

«Questi risultati sono mille volte più sensibili di quelli precedenti e sono basati su misurazioni di laboratorio, piuttosto che su osservazioni astronomiche», commentava Philip Harris dell’Università del Sussex, fra gli autori dello studio. «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».

MEDIAINAF TV – Alla ricerca degli assioni perduti

 

Riferimenti e aprofondimenti

  1. The Astrophysical Journal “Astrophysical limits on very light axion-like particles from Chandra grating spectroscopy of NGC 1275”, di Christopher S. Reynolds, M.C. David Marsh, Helen R. Russell, Andrew C. Fabian, Robyn N. Smith, Francesco Tombesi e Sylvain Veilleux
  2. Physical Review X Search for Axionlike Dark Matter through Nuclear Spin Precession in Electric and Magnetic Fields“, di C. Abel, N. J. Ayres et al.
  3. Roberto Peccei, Helen Quinn, Physical Review Letters38(1977) p. 1440.
  4. R. Peccei, H. Quinn, Physical ReviewD16 (1977) p. 1791-1797.
  5. S. Weinberg, Phys. Rev. Letters 40(1978), p. 223:
  6. F. Wilczek, Phys. Rev. Letters 40(1978), p. 279
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