Parte dell’apparato sperimentale nel laboratorio di Berna con il dottorando Ivo Schulthess. Crediti: F. Piegsa
Nella fisica sperimentale non è importante solo quello che si trova, ma anche quello che non si trova. È il caso degli assioni – i principali contendenti al ruolo di componenti della materia oscura – a lungo cercati e non ancora trovati. Diversi esperimenti in tutto il mondo stanno dando loro la caccia, setacciando ogni angolo dello spazio dei parametri, che potete immaginare come una grande stanza buia. Esplorare una regione dello spazio dei parametri è un po’ come mettersi in una certa zona della stanza, accendere una piccola torcia e vedere se, almeno in quella zona, si trova qualcosa di interessante.
Di recente, grazie a un esperimento di precisione sviluppato presso l’Albert Einstein Center for Fundamental Physics (Aec) dell’Università di Berna, un gruppo di ricerca internazionale è riuscito a indagare parte dello spazio dei parametri degli assioni. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters.
«Di cosa sia effettivamente fatta la materia oscura è ancora un mistero», afferma Ivo Schulthess, dottorando presso l’Aec e primo autore dello studio. Quel che è certo, però, è che non è fatta delle stesse particelle che compongono le stelle, il pianeta Terra o noi umani. In tutto il mondo vengono utilizzati esperimenti e metodi sempre più sensibili per cercare possibili particelle di materia oscura, finora senza successo.
Con questo esperimento gli autori sono andati alla ricerca delle cosiddette Alp – acronimo di axionlike particles, particelle simili agli assioni – utilizzando neutroni freddi. Un’interazione tra le Alp e i neutroni produrrebbe un momento di dipolo elettrico dei neutroni che oscilla nel tempo. Ebbene, sono state analizzate ventiquattro ore di dati in un intervallo di frequenza da 23 μHz a 1 kHz e non è stato trovato alcun segnale significativo.
«Grazie a molti anni di esperienza, il nostro team è riuscito a progettare e costruire un apparato di misurazione estremamente sensibile: l’esperimento Beam Edm», spiega Florian Piegsa dell’Aec, che ha ricevuto uno dei prestigiosi riconoscimenti Erc Starting Grants dal Consiglio europeo della ricerca nel 2016 per la sua ricerca con i neutroni.
In questo grafico sono mostrati i limiti sull’accoppiamento Alp-gluoni in funzione della massa o della frequenza. Le aree ombreggiate sono regioni dello spazio dei parametri escluse dalla cosmologia e dalle osservazioni astrofisiche (blu: Galassie, Bbn, Sn1987A) ed esperimenti di laboratorio (arancione: nEdm, HfH). I contorni neri con l’area rosa contrassegnano la regione di esclusione di questa pubblicazione (etichettata Beam Edm). Le linee continue e tratteggiate corrispondono rispettivamente ai modelli di materia oscura deterministico e stocastico. La linea verde mostra l’assione Qcd canonico. Crediti: Schulthess et al.
«Il nostro esperimento ci consente di determinare la frequenza di rotazione degli spin dei neutroni, che si muovono attraverso una sovrapposizione di campi elettrici e magnetici», spiega Schulthess. La rotazione di ogni singolo neutrone agisce come una sorta di ago della bussola, che ruota a causa di un campo magnetico in modo simile alla lancetta dei secondi di un orologio da polso, ma quasi 400mila volte più velocemente. «Abbiamo misurato con precisione questa frequenza di rotazione e l’abbiamo esaminata alla ricerca delle più piccole fluttuazioni periodiche che sarebbero state causate dalle interazioni con gli assioni», spiega Piegsa. I risultati dell’esperimento sono stati chiari: «La frequenza di rotazione dei neutroni è rimasta invariata, il che significa che non ci sono prove dell’esistenza degli assioni nella nostra misurazione», afferma Piegsa.
Le misurazioni, che sono state effettuate con ricercatori francesi presso l’European Research Neutron Source presso l’Istituto Laue-Langevin, hanno consentito l’esclusione sperimentale di una regione nello spazio dei parametri degli assioni precedentemente inesplorata, che riguarda masse estremamente piccole.
«Grazie a questa misura, è stato possibile stabilire, per la prima volta, un limite all’interazione tra Alp e gluoni in una regione di masse dove, fino ad ora, nessun altro esperimento di laboratorio era arrivato», commenta a Media Inaf il co-autore Anastasio Fratangelo, studente PhD all’Università di Berna.
«Anche se l’esistenza di queste particelle rimane misteriosa, abbiamo escluso con successo un’importante regione dei parametri della materia oscura», conclude Schulthess. Gli esperimenti futuri possono ora contare anche su questo risultato.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “New limit on axion-like dark matter using cold neutrons” di Ivo Schulthess, Estelle Chanel, Anastasio Fratangelo, Alexander Gottstein, Andreas Gsponer, Zachary Hodge, Ciro Pistillo, Dieter Ries, Torsten Soldner, Jacob Thorne, and Florian M. Piegsa