Cos’è la materia oscura? La risposta al più grande mistero dell’universo potrebbe essere Axions

La materia oscura e l’energia oscura costituiscono più dell’universo di quanto non facciano la materia e l’energia osservabili.

Getty/Vadim Kalinin

La fisica è permeata da enigmi e, in un certo senso, questo è ciò che fa andare avanti il ​​campo. questi enigmi strabilianti promuovere una corsa verso la verità. Ma tra tutti i dilemmi, direi che due rientrano indiscutibilmente nella priorità A.

Prima di tutto, quando gli scienziati guardano il cielo, vedono costantemente stelle e galassie che viaggiano più lontano dal nostro pianeta e l’una dall’altra, in ogni direzione. L’universo sembra una bolla che esplode, ed è così che siamo arrivati ​​a sapere che si sta espandendo. Ma qualcosa non ha senso.

Lo spazio non sembra avere abbastanza cose che fluttuano al suo interno – stelle, particelle, pianeti e tutto il resto – per gonfiarsi così rapidamente. In altre parole, l’universo si sta espandendo molto più velocemente di quanto la nostra fisica dice di poter, e sta anche prendendo velocità mentre leggi questo. Il che ci porta al problema due.

Secondo i migliori calcoli degli esperti, le galassie ruotano così incredibilmente velocemente mentre tutto gira intorno che ci aspetteremmo che le spirali si comportino come giostre fuori controllo che lanciano cavalli di metallo fuori dal giro. Sembra che non ci siano abbastanza cose nell’universo per ancorarle insieme. Eppure la Via Lattea non si sta allontanando.

Allora… cosa sta succedendo?

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Una simulazione di filamenti di materia oscura nell’universo.

Zarija Lukic/Lawrence Berkeley National Laboratory

In termini generali, i fisici chiamano le cose “mancanti” che spingono il cosmo verso l’esterno dell’energia oscura e i pezzi che tengono insieme le galassie – presumibilmente in una forma simile ad un alone – materia oscura. Nessuno dei due interagisce con la luce o la materia che possiamo vedere, quindi sono essenzialmente invisibili. Combinate, materia oscura ed energia oscura costituiscono un enorme 95% dell’universo.

Concentrandosi sulla porzione di materia oscura, gli autori di una recente recensione, pubblicata sulla rivista Science Advances, scrivono che “potrebbe benissimo consistere in uno o più tipi di particella fondamentale… sebbene parte o tutta potrebbe essere costituita da grumi macroscopici di alcuni forma invisibile di materia, come i buchi neri”.

Buchi neri o meno, la materia oscura è totalmente sfuggente. Nel tentativo di decodificare i suoi segreti, gli scienziati hanno scelto una manciata di sospetti dalla formazione cosmica e una delle particelle più ricercate è uno strano puntino chiamato assione.

La strabiliante ipotesi degli assioni

Potresti aver sentito parlare del Modello Standard, che è praticamente il Santo Graal, manuale in continua evoluzione della fisica delle particelle. Delinea come ogni separare particella nell’universo funziona.

Tuttavia, come sottolinea la recensione di Science Advances, alcuni “fisici delle particelle sono irrequieti e insoddisfatti del modello standard perché presenta molte carenze teoriche e lascia senza risposta molte pressanti domande sperimentali”. Più specificamente per noi, porta a un paradosso riguardo a un concetto scientifico ben consolidato chiamato invarianza CPT. Ah, gli enigmi di fisica continuano.

Alone di materia oscura che circonda la galassia (illustrazione)

Galassia e alone di materia oscura associato, illustrazione.

Mark Garlick/Scienza Foto Bilancia

Fondamentalmente, l’invarianza CPT afferma che l’universo deve essere simmetrico quando si tratta di C (carica), P (parità) e T (tempo). Per questo motivo, è anche chiamata simmetria CPT. Se tutto avesse la carica opposta, fosse mancino invece che destrorso e viaggiasse nel tempo indietro invece che in avanti, afferma che l’universo dovrebbe rimanere lo stesso.

Per molto tempo, la simmetria CPT è sembrata indistruttibile. Poi arrivò il 1956.

Per farla breve, gli scienziati hanno trovato qualcosa che viola la parte P della simmetria CPT. Si chiama forza debole e determina cose come le collisioni dei neutrini e la fusione degli elementi nel sole. Tutti erano scioccati, confusi e spaventati.

Quasi tutti i concetti fondamentali della fisica si basano sulla simmetria CPT.

Circa un decennio dopo, i ricercatori hanno scoperto che la forza debole violava anche la simmetria C. Le cose stavano andando in pezzi. I fisici potrebbero semplicemente sperare e pregare che anche se P viene violato… e CP viene violato… forse CPT non lo è ancora. Forse le forze deboli hanno solo bisogno del trio per mantenere la simmetria CPT. Per fortuna, questa teoria sembra corretta. Per qualche ragione sconosciuta, la forza debole segue la totale simmetria CPT nonostante C e CP blip. Uff.

Ma ecco il problema. Se le forze deboli violano la simmetria CP, ti aspetteresti che lo facciano anche le forze forti, giusto? Ebbene, non lo sanno, ei fisici non sanno perché. Questo è chiamato il problema della PC forte — e precisamente dove le cose si fanno interessanti.

Neutroni — particelle non cariche all’interno degli atomi — monumento dalla forza forte. Inoltre, consentendo la semplificazione, la loro carica neutra significa che violano la simmetria a T. E “se troviamo qualcosa che viola la simmetria T, allora deve violare anche la simmetria CP in modo tale che la combinazione CPT non venga violata”, afferma il documento. Ma… è strano. I neutroni non lo fanno a causa del forte problema di CP.

E così è nata l’idea dell’assione.

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I neutroni sono particelle non cariche proprio nel gruppo centrale di atomi.

Getty/iLexx

Anni fa, i fisici Roberto Peccei e Helen Quinn suggerirono di aggiungere una nuova dimensione al Modello Standard. Era coinvolto in un campo di particelle ultraleggere – assioni – che spiegava il problema del CP forte, rilassando così le condizioni per i neutroni. Axions sembrava risolvere tutto così bene che l’idea del duo è diventata la “soluzione più popolare al forte problema del PC”, afferma il documento. È stato un miracolo.

Per essere chiari, le assioni sono ancora ipotetiche, ma pensa a quello che è appena successo. I fisici hanno aggiunto una nuova particella al modello standard, che delinea i granelli del l’intero universo. Cosa potrebbe significare per tutto il resto?

La chiave della materia oscura?

Secondo la teoria di Peccei-Quinn, gli assioni sarebbero “freddi” o si muoverebbero molto lentamente nello spazio. E… i ricercatori dello studio dicono “l’esistenza di [dark matter] è dedotto dai suoi effetti gravitazionali e le osservazioni astrofisiche suggeriscono che è “freddo”.”

Il documento afferma anche che “ci sono limiti superiori sperimentali su quanto fortemente [the axion] interagisce con la materia visibile”.

Quindi, fondamentalmente, anche gli assioni che aiutano a spiegare il forte problema della CP sembrano avere proprietà teoriche che si allineano con quelle della materia oscura. Estremamente bene.

Il Consiglio europeo per la ricerca nucleare, meglio noto come CERN, che gestisce il Large Hadron Collider e guida la carica per gli studi sull’antimateria, sottolinea inoltre “una delle proprietà più suggestive degli assioni è che, in modo naturale, potrebbero essere prodotti in gran numero subito dopo il Big Bang. Questa popolazione di assioni sarebbe ancora presente oggi e potrebbe comporre la materia oscura dell’universo”.

Un'area di ricerca dello SLAC sta ricostruendo la formazione dell'universo.  Abbiamo familiarità con le galassie, ma questa simulazione mostra fili di materia oscura che intrecciano il cosmo.  Le galassie si formano nei nodi più luminosi dove la densità è più alta.

Un’area di ricerca dello SLAC sta ricostruendo la formazione dell’universo. Abbiamo familiarità con le galassie, ma questa simulazione mostra fili di materia oscura che intrecciano il cosmo. Le galassie si formano nei nodi più luminosi dove la densità è più alta.

Laboratorio Nazionale Acceleratore SLAC

Ecco qua. Gli assioni sono tra gli argomenti più caldi della fisica perché sembrano spiegare così tanto. Ma ancora una volta, quei pezzi ricercati sono ancora ipotetici.

Troveremo mai assioni?

Sono passati 40 anni da quando gli scienziati hanno iniziato a cacciare gli assioni.

La maggior parte di queste ricerche “sfruttano principalmente l’interazione del campo d’azione con i campi elettromagnetici”, affermano gli autori in quella recente recensione pubblicata su Science Advances.

Ad esempio, il CERN ha sviluppato l’Axion Search Telescope, una macchina costruita per trovare un accenno delle particelle prodotte nel nucleo del sole. All’interno della nostra stella, ci sono forti campi elettrici che potrebbero potenzialmente interagire con gli assioni, se sono davvero lì, cioè.

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Una missione a razzo solare della NASA rivela una vista straordinaria di fili magnetici super caldi nell’atmosfera solare.

Università del Lancashire centrale

Ma la ricerca ha finora affrontato alcune sfide piuttosto grandi. Per uno, “la massa delle particelle non è teoricamente prevedibile”, scrivono gli autori, cioè abbiamo pochissime idee su come potrebbe essere un assione.

In questo momento, gli scienziati li stanno ancora cercando pur assumendo una vasta gamma di masse. Di recente, tuttavia, i ricercatori hanno offerto prove che la particella è probabilmente compresa tra 40 e 180 microelettronvolt. È impensabilmente piccolo, a circa 1 miliardesimo della massa di un elettrone.

“Inoltre”, scrive il team, “si prevede che il segnale dell’assone sia molto stretto… ed estremamente debole a causa degli accoppiamenti molto deboli con le particelle e i campi del Modello standard”. In sostanza, anche se minuscoli assioni fanno del loro meglio per segnalarci la loro esistenza, potremmo perderli. I loro segnali potrebbero essere così deboli che ce ne accorgeremmo a malapena.

Nonostante questi ostacoli, la ricerca di axion prosegue. La maggior parte degli scienziati sostiene che devono essere là fuori da qualche parte, ma sembrano troppo belli per essere veri quando si tratta di spiegare completamente la materia oscura.

“La maggior parte dei tentativi sperimentali presuppone che gli assioni compongano il 100% dell’alone di materia oscura”, sottolineano gli autori dello studio, suggerendo che forse c’è un modo per “esaminare la fisica degli assioni senza fare affidamento su tale ipotesi”.

Sebbene possano essere le star dello spettacolo, e se le assioni fossero solo un capitolo della storia della materia oscura?

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