Alla ricerca di un nesso fra materia, antimateria e materia oscura

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Sondare la materia oscura usando l’antimateria. La collaborazione BASE riporta la prima ricerca di laboratorio per un’interazione tra antimateria e una particella candidata per la materia oscura. La materia oscura e lo squilibrio tra materia e antimateria sono due dei più grandi misteri dell’universo. Le osservazioni astronomiche ci dicono che la materia oscura costituisce la maggior parte della materia nel cosmo ma non sappiamo di cosa sia fatta. D’altra parte, le teorie dell’universo primordiale prevedono che sia l’antimateria che la materia avrebbero dovuto essere prodotte in quantità uguali, eppure per qualche ragione prevalse la materia. Potrebbe esserci una relazione tra questa materia-asimmetria antimateria e materia oscura?

In un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature, la collaborazione BASE riporta la prima ricerca di laboratorio per un’interazione tra antimateria e un candidato della materia oscura, l’ipotetico assione. Una possibile interazione non solo stabilirebbe l’origine della materia oscura, ma rivoluzionerebbe anche certezze consolidate sulle proprietà di simmetria della natura. Lavorando nella fabbrica di antimateria del CERN, il team BASE ha ottenuto i primi limiti di laboratorio sull’esistenza di assioni di materia oscura, supponendo che preferiscano interagire con l’antimateria piuttosto che con la materia.

Gli assioni furono originariamente introdotti per spiegare le proprietà di simmetria della forza forte, che lega i quark in protoni e neutroni e protoni e neutroni in nuclei. La loro esistenza è anche prevista da molte teorie oltre il Modello Standard, in particolare le teorie delle superstringhe. Sarebbero leggeri e interagirebbero debolmente con altre particelle. Essendo stabili, gli assioni prodotti durante il Big Bang sarebbero ancora presenti in tutto l’universo, probabilmente spiegando la materia oscura osservata. La cosiddetta dualità onda-particella della meccanica quantistica farebbe oscillare il campo dell’assione della materia oscura, ad una frequenza proporzionale alla massa dell’assione. Questa oscillazione varierebbe l’intensità delle interazioni di questo campo con la materia e l’antimateria in laboratorio, inducendo variazioni periodiche nelle loro proprietà.

Gli esperimenti di laboratorio fatti con la materia ordinaria non hanno finora mostrato alcuna prova di queste oscillazioni, ponendo limiti rigorosi sull’esistenza di assioni cosmici. Le leggi stabilite della fisica prevedono che gli assioni interagiscono allo stesso modo con i protoni e gli antiprotoni (le antiparticelle dei protoni), ma è il ruolo degli esperimenti a sfidare tale saggezza, in questo caso particolare sondando direttamente l’esistenza degli assioni della materia oscura usando antiprotoni.

Nel loro studio, i ricercatori di BASE hanno cercato le oscillazioni nel movimento rotatorio del momento magnetico o dello “spin” dell’antiprotone – pensa al movimento traballante di una trottola appena prima che smetta di girare; ruota attorno al proprio asse di rotazione e “precessioni” attorno ad un asse verticale. Una forza di interazione assione-antiprotone inaspettatamente grande porterebbe a variazioni nella frequenza di questa precessione.

Per cercare le oscillazioni, i ricercatori hanno prima preso gli antiprotoni dalla fabbrica di antimateria del CERN, l’unico posto al mondo in cui gli antiprotoni vengono creati su base giornaliera. Li hanno poi confinati in un dispositivo chiamato trappola Penning per evitare che entrassero in contatto con la materia ordinaria e annichilassero. Successivamente, hanno alimentato un singolo antiprotone in una trappola multi-Penning ad alta precisione per misurare e capovolgere il suo stato di rotazione. Eseguendo queste misurazioni quasi mille volte nel corso di circa tre mesi, sono stati in grado di determinare una frequenza media della precessione dell’antiprotone di circa 80 megahertz con un’incertezza di 120 millihertz. Cercando variazioni regolari nel tempo delle singole misurazioni durante la loro campagna sperimentale della durata di tre mesi, sono stati in grado di sondare ogni possibile interazione assione-antiprotone per molti valori della massa di assioni.

I ricercatori di BASE non sono stati in grado di rilevare tali variazioni nelle loro misurazioni che avrebbero rivelato una possibile interazione assione-antiprotone. Tuttavia, la mancanza di questo segnale ha permesso loro di porre limiti inferiori alla forza di interazione assione-antiprotone per una gamma di possibili masse di assioni. Questi limiti di laboratorio vanno da 0,1 GeV a 0,6 GeV in base alla massa assiale assunta. Per fare un confronto, gli esperimenti basati sulla materia più precisi raggiungono limiti molto più rigorosi, tra circa 10 000 e 1 000 000 GeV. Ciò dimostra che la sensibilità sperimentale di oggi richiederebbe una grave violazione delle proprietà di simmetria stabilite al fine di rivelare un possibile segnale.

Gli assioni furono originariamente introdotti per spiegare le proprietà di simmetria della forza forte, che lega i quark in protoni e neutroni e protoni e neutroni in nuclei. La loro esistenza è anche prevista da molte teorie oltre il Modello Standard, in particolare le teorie delle superstringhe. Sarebbero leggeri e interagirebbero debolmente con altre particelle. Essendo stabili, gli assioni prodotti durante il Big Bang sarebbero ancora presenti in tutto l’universo, probabilmente spiegando la materia oscura osservata. La cosiddetta dualità onda-particella della meccanica quantistica farebbe oscillare il campo dell’assione della materia oscura, ad una frequenza proporzionale alla massa dell’assione. Questa oscillazione varierebbe l’intensità delle interazioni di questo campo con la materia e l’antimateria in laboratorio, inducendo variazioni periodiche nelle loro proprietà.

Gli esperimenti di laboratorio fatti con la materia ordinaria non hanno finora mostrato alcuna prova di queste oscillazioni, ponendo limiti rigorosi sull’esistenza di assioni cosmici. Le leggi stabilite della fisica prevedono che gli assioni interagiscono allo stesso modo con i protoni e gli antiprotoni (le antiparticelle dei protoni), ma è il ruolo degli esperimenti a sfidare tale saggezza, in questo caso particolare sondando direttamente l’esistenza degli assioni della materia oscura usando antiprotoni.

Nel loro studio, i ricercatori di BASE hanno cercato le oscillazioni nel movimento rotatorio del momento magnetico o dello “spin” dell’antiprotone – pensa al movimento traballante di una trottola appena prima che smetta di girare; ruota attorno al proprio asse di rotazione e “precessioni” attorno ad un asse verticale. Una forza di interazione assione-antiprotone inaspettatamente grande porterebbe a variazioni nella frequenza di questa precessione.

Per cercare le oscillazioni, i ricercatori hanno prima preso gli antiprotoni dalla fabbrica di antimateria del CERN, l’unico posto al mondo in cui gli antiprotoni vengono creati su base giornaliera. Li hanno poi confinati in un dispositivo chiamato trappola Penning per evitare che entrassero in contatto con la materia ordinaria e annichilassero. Successivamente, hanno alimentato un singolo antiprotone in una trappola multi-Penning ad alta precisione per misurare e capovolgere il suo stato di rotazione. Eseguendo queste misurazioni quasi mille volte nel corso di circa tre mesi, sono stati in grado di determinare una frequenza media della precessione dell’antiprotone di circa 80 megahertz con un’incertezza di 120 millihertz. Cercando variazioni regolari nel tempo delle singole misurazioni durante la loro campagna sperimentale della durata di tre mesi, sono stati in grado di sondare ogni possibile interazione assione-antiprotone per molti valori della massa di assioni.

I ricercatori di BASE non sono stati in grado di rilevare tali variazioni nelle loro misurazioni che avrebbero rivelato una possibile interazione assione-antiprotone. Tuttavia, la mancanza di questo segnale ha permesso loro di porre limiti inferiori alla forza di interazione assione-antiprotone per una gamma di possibili masse di assioni. Questi limiti di laboratorio vanno da 0,1 GeV a 0,6 GeV in base alla massa assiale assunta. Per fare un confronto, gli esperimenti basati sulla materia più precisi raggiungono limiti molto più rigorosi, tra circa 10 000 e 1 000 000 GeV. Ciò dimostra che la sensibilità sperimentale di oggi richiederebbe una grave violazione delle proprietà di simmetria stabilite al fine di rivelare un possibile segnale.

Se gli assioni non fossero una componente dominante della materia oscura, potrebbero comunque essere prodotti direttamente durante il crollo e l’esplosione delle stelle come supernovae e i limiti della loro forza di interazione con protoni o antiprotoni potrebbero essere estratti esaminando l’evoluzione di tali esplosioni stellari. L’osservazione dell’esplosione della famosa supernova SN1987A, tuttavia, ha posto dei limiti alla forza di interazione assione-antiprotone che sono circa 100000 volte più deboli di quelli ottenuti da BASE.

Le nuove misurazioni della collaborazione BASE, che ha collaborato con i ricercatori dell’Istituto Helmholtz di Magonza per questo studio, forniscono un nuovo modo di sondare la materia oscura e la sua possibile interazione con l’antimateria. Pur facendo affidamento su ipotesi specifiche sulla natura della materia oscura e sul modello della asimmetria materia-antimateria, i risultati dell’esperimento sono una sonda unica di nuovi fenomeni inaspettati, che potrebbero svelare straordinarie modifiche alla nostra consolidata comprensione di come funziona l’universo.

Sorgente: Probing dark matter using antimatter | CERN

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