In ascolto, per la materia oscura, sulla frequenza dell’assione

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Sintonizzatevi su radio assione. Trovato un nuovo modo per “sentire” la materia oscura. I fisici dell’Università di Stoccolma e del Max Planck Institute for Physics hanno ideato una proposta che potrebbe rivoluzionare la ricerca della materia oscura, una sostanza ancora misteriosa che si suppone costituisca l’85 per cento della materia nell’universo. L’intuizione chiave dei ricercatori è che all’interno di un campo magnetico gli assioni sarebbero in grado di generare un piccolo campo elettrico che potrebbe essere utilizzato per guidare le oscillazioni nel plasma.

I ricercatori della Stockholm University propongono un nuovo strumento per la ricerca di assioni di materia oscura utilizzando plasmi sintonizzabili. Crediti: Alexander Millar/Stockholm University
I ricercatori della Stockholm University propongono un nuovo strumento per la ricerca di assioni di materia oscura utilizzando plasmi sintonizzabili. Crediti: Alexander Millar/Stockholm University

Inizialmente introdotto per spiegare la non violazione della simmetria CP nell’interazione forte (che tiene insieme protoni e neutroni), l’assione potrebbe fornire una spiegazione naturale per la materia oscura. Piuttosto che particelle discrete, la materia oscura costituita da assioni formerebbe un’onda pervasiva che scorre attraverso lo spazio.

L’assione è uno fra i migliori candidati per spiegare la materia oscura, ma solo recentemente è stato al centro di uno sforzo sperimentale su larga scala per cercarlo in tutti i campi in cui potrebbe nascondersi.

«Trovare l’assione è un po’ come sintonizzare una radio: devi sintonizzare l’antenna fino a quando non trovi la frequenza giusta. Invece della musica, gli scienziati sarebbero in questo caso ricompensati con quello che potremmo definire “l’ascolto della materia oscura”. Nonostante fossero ben motivati, nei tre decenni successivi a quando sono stati nominati per la prima volta da Frank Wilczek, gli assioni sono stati trascurati da un punto di vista sperimentale», dice Alexander Millar, co-autore dello studio, del Dipartimento di fisica dell’Università di Stoccolma.

L’intuizione chiave del nuovo studio è che all’interno di un campo magnetico gli assioni sarebbero in grado di generare un piccolo campo elettrico che potrebbe essere utilizzato per guidare le oscillazioni nel plasma. Un plasma è un gas ionizzato in cui le particelle cariche, come gli elettroni, possono fluire liberamente come un fluido. Queste oscillazioni amplificano il segnale, portando a una “radio assione” migliore. A differenza degli esperimenti tradizionali basati su cavità risonanti, non vi è quasi alcun limite alla dimensione di questi plasmi, avendo così la possibilità di lavorare con un segnale più ampio. La differenza è in qualche modo assimilabile alla differenza tra un walkie-talkie e una torre radiofonica.

«Senza il plasma freddo, gli assioni non possono convertirsi efficacemente in luce. Il plasma ha un duplice ruolo: quello di creare un ambiente che consente una conversione efficiente e quello di fornire un plasmone risonante per raccogliere l’energia della materia oscura convertita», spiega Matthew Lawson, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica dell’Università di Stoccolma, primo autore dello studio.

«Si tratta di un modo completamente nuovo di indagare la materia oscura e ci aiuterà a cercare uno dei candidati più forti della materia oscura in aree che sono completamente inesplorate. La costruzione di un plasma sintonizzabile ci permetterebbe di fare esperimenti molto più grandi di quelli svolti impiegando le tecniche tradizionali, dando segnali molto più forti alle alte frequenze», afferma Millar.

Per sintonizzare questa “radio assione” gli autori propongono di usare un metamateriale a filo, ossia un sistema di fili più sottili dei capelli che possono essere spostati per modificare la frequenza caratteristica del plasma. All’interno di un grande e potente magnete, simile a quelli utilizzati nelle macchine di risonanza magnetica negli ospedali, un metamateriale a filo si trasforma in una radio ad assione molto sensibile.

La ricerca della materia oscura con i plasmi non rimarrà solo un’idea interessante. In stretta collaborazione con i ricercatori di questo studio, un gruppo sperimentale di Berkeley ha condotto ricerche sul concetto da loro proposto con l’intento di costruire un esperimento simile nel prossimo futuro. «Gli aloscopi al plasma sono una delle poche idee che potrebbero cercare assioni in questo spazio di parametri. Il fatto che la comunità sperimentale si sia aggrappata a questa idea così rapidamente è molto eccitante e promettente per la costruzione di un esperimento su vasta scala», conclude Millar. Tutti i dettagli su Physical Review Letters

Per saperne di più: Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Tunable Axion Plasma Haloscopes” di Matthew Lawson, Alexander J. Millar, Matteo Pancaldi, Edoardo Vitagliano, and Frank Wilczek

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