La materia oscura è fatta di assoni?
La settimana scorsa, quando gli scienziati di un laboratorio italiano hanno annunciato che dei blip inaspettati nel loro rilevatore potrebbero provenire da particelle subatomiche a lungo cercate, note come assoni, i loro colleghi erano cautamente ottimisti: in fisica, le presunte rilevazioni di nuove particelle spesso sbiadiscono fino a diventare insignificanti quando i ricercatori raccolgono più dati. E ci sono altre spiegazioni più prosaiche per i blips. Al contrario, il caso teorico dell’esistenza degli axion è convincente per molti fisici. E le ipotetiche particelle sono uno dei principali candidati per la materia oscura, la misteriosa sostanza che costituisce la maggior parte dell’universo materiale. Confermare che gli assioni sono reali sarebbe una svolta per la fisica delle particelle e una scoperta con implicazioni di vasta portata per la nostra comprensione della composizione e della storia dell’universo.
La storia degli assioni inizia negli anni ’70, quando i fisici che sviluppano il Modello Standard – la struttura che descrive le particelle conosciute e le loro interazioni – notarono qualcosa di strano nella forza nucleare forte, che lega i quark per formare i protoni e i neutroni nei nuclei degli atomi. Questa forza regola in qualche modo la struttura dei neutroni per renderli perfettamente simmetrici. In altre parole, anche se il neutrone è neutro, i quark al suo interno portano carica e, per ragioni sconosciute, questa carica è distribuita in modo incredibilmente uniforme (almeno entro una parte su un miliardo, secondo le ultime misurazioni). Nel linguaggio della fisica delle particelle, si dice che il neutrone ha una simmetria di carica-parità (CP): invertendo tutte le sue cariche da positive a negative, osservando anche il suo comportamento in uno specchio, non avrebbe alcun effetto percepibile. La questione del perché la particella abbia questa disposizione divenne nota come il “problema CP forte”.
Poi, nel 1977 Helen Quinn e il defunto Roberto Peccei, entrambi all’Università di Stanford, proposero una soluzione: forse esiste un campo finora sconosciuto che pervade tutto lo spazio e sopprime le asimmetrie del neutrone. Più tardi, i fisici teorici Frank Wilczek e Steven Weinberg dedussero che se il Modello Standard fosse stato modificato per consentire tale campo, ciò avrebbe implicato l’esistenza di una nuova particella, soprannominata axion. (Wilczek ha avuto l’idea del nome da una marca di detersivo per il bucato). L’axion non avrebbe uno “spin” meccanico quantistico, rendendolo un bosone. La sua massa, anche se non zero, sarebbe incredibilmente piccola.
Nonostante il loro peso irrisorio, gli assioni esisterebbero in un numero così grande che i fisici si sono presto resi conto che potrebbero rappresentare gran parte della massa “mancante” dall’universo: Le osservazioni astronomiche che risalgono agli anni ’30 suggeriscono che la materia visibile – galassie, stelle, pianeti e così via – rappresenta meno di un sesto della massa totale di tutta la materia nel cosmo, mentre la materia oscura costituisce il resto. La natura di questa materia oscura è stata oggetto di un intenso dibattito da allora.
“L’assone è davvero un ottimo candidato per la materia oscura”, dice Peter Graham di Stanford. Al di là dell’aspettativa che il cosmo sia inondato da queste particelle, gli assioni sarebbero naturalmente “oscuri”, cioè non interagirebbero affatto con la materia ordinaria. “L’universo ama produrre assioni”, dice Graham, “e gli piace produrli in modo tale che si comporterebbero come la fredda materia oscura che sappiamo essere là fuori.”
“Freddo” è un avvertimento importante: gli assioni che i ricercatori avrebbero rilevato con l’esperimento XENON1T al Laboratorio Nazionale del Gran Sasso sarebbero stati probabilmente prodotti all’interno del nostro sole. Sarebbero altamente energetici e quindi è improbabile che siano una componente della materia oscura. Gli assioni di materia oscura dovrebbero essere lenti, o freddi, in modo che possano raggrupparsi per guidare gravitazionalmente l’evoluzione delle galassie, come si crede faccia la materia oscura. I teorici sospettano che tali assoni possano essere stati prodotti nel primo universo. Inoltre, poiché i processi che si pensa creino gli assoni freddi possono essere legati al primo scatto di crescita dell’universo – uno straordinario aumento delle dimensioni noto come inflazione – trovare e studiare ulteriormente queste particelle sfuggenti potrebbe aiutare i fisici a capire i primissimi momenti successivi al big bang. Anche se la scoperta degli assoni non proverebbe che l’inflazione è avvenuta, dice Graham, fornirebbe un prezioso sguardo nella fisica di quell’epoca. “Per me, questa è la cosa eccitante degli assoni”, aggiunge.
Anche gli scienziati stanno reagendo con cautela, compresi quelli del team XENON1T. Tutto ciò di cui sono sicuri è che hanno visto un numero sorprendentemente grande di “contraccolpi” di elettroni nell’enorme vasca di xeno liquido che è il cuore dell’esperimento. Cosa abbia fatto saltare gli elettroni è aperto al dibattito. Se le particelle subatomiche chiamate neutrini hanno proprietà magnetiche impreviste, questa disposizione potrebbe spiegare i risultati osservati. Oppure la spiegazione potrebbe essere più banale: lo xeno potrebbe essere semplicemente contaminato da trizio, una forma più pesante di idrogeno la cui radiazione naturale potrebbe aver confuso il segnale visto a XENON1T. Inoltre, il livello di confidenza associato al segnale anomalo è solo “3,5 sigma” – il che significa che c’è una possibilità su 5.000 che il “segnale” sia in realtà solo rumore, il prodotto di fluttuazioni statistiche piuttosto che una nuova fisica genuina. Queste probabilità possono sembrare buone, ma sono ben al di sotto dello standard di uno su 3,5 milioni, o “cinque sigma”, tradizionalmente legato alle scoperte legittime nella fisica delle particelle.
Oltre ad accumulare più dati e migliorare il loro esperimento, i ricercatori di XENON1T cercheranno qualsiasi cambiamento annuale nel segnale apparente. Gli assoni solari dovrebbero far fluttuare quel segnale mentre la Terra orbita intorno al sole. Nel frattempo, prove a sostegno potrebbero venire dall’Axion Dark Matter Experiment (ADMX) all’Università di Washington o da un esperimento conosciuto come CAST (CERN Axion Solar Telescope) al CERN vicino a Ginevra. ADMX è già riuscito a porre nuovi vincoli sulla massa dell’axion, e CAST è a caccia di axioni solari dal 2003.
Se gli axion si rivelassero reali, sarebbe “un trionfo della fisica teorica – aver fatto questo tipo di argomentazione estetica, e poi la natura dice: ‘Sì, è giusto'”, dice Wilczek, che ha sede al Massachusetts Institute of Technology ed è stato co-ricettore del premio Nobel per la fisica 2004 per il suo lavoro teorico sulla forza nucleare forte. L’esistenza degli assoni, dice, indicherebbe una nuova fisica oltre il Modello Standard – qualcosa che lui e i suoi colleghi hanno anticipato per decenni. Nuovi tipi di antenne potrebbero essere costruiti per cercare gli assioni creati nel primo universo, suggerisce Wilczek. Se questi axion possono essere misurati con successo, “si aprirebbe un nuovo capitolo dell’astronomia”, aggiunge, perché il comportamento delle particelle potrebbe far luce sulla formazione delle galassie e “forse altre cose sorprendenti”.
Mentre tali sviluppi sarebbero probabilmente degni del Nobel, Wilczek non sta liberando spazio sul suo scaffale per una seconda medaglia. Ma se un altro Nobel dovesse arrivare, dice, “non lo rifiuterebbe”.