Come la luce dei buchi neri sta restringendo la ricerca di assioni

La ricerca di un’ipotetica particella subatomica in grado di segnalare una nuova fisica si è appena ridotta un po’, grazie alla luce che vortica intorno a un gigantesco buco nero in un’altra galassia.

La particella leggera – soprannominata l’assione – è stata proposta come una soluzione al mistero del perché l’universo ha così poca antimateria e come candidata per l’elusiva materia oscura che riempie il cosmo (SN: 24/03/20; SN: 06/03/20). Si pensa che i dintorni tortuosi e caotici del buco nero centrale della galassia M87, il primo buco nero a cui è stata scattata una foto, codifichino informazioni su tali particelle.

Ora, i dettagli su come è orientata la luce attorno al buco nero di M87 potrebbero escludere la probabilità di particelle di assioni in un intervallo di massa specifico, i ricercatori riferiscono il 17 marzo a Astronomia della natura. Questo studio mostra anche che gli scienziati potrebbero utilizzare un metodo simile nelle imminenti osservazioni astrofisiche per cercare queste particelle in un assortimento di masse.

“È un’idea molto eccitante”, afferma il fisico Benjamin Safdi dell’Università della California, Berkeley, che non è stato coinvolto in questo studio. “Hanno escogitato un nuovo metodo e hanno dimostrato che in linea di principio questo metodo potrebbe funzionare”.

Proposti per la prima volta alla fine degli anni ’70, gli assioni devono ancora essere trovati negli esperimenti. Il lavoro teorico poiché quella proposta iniziale ha mostrato che potrebbe esistere una famiglia allargata di assioni, ogni varietà ha una massa diversa ma tutte interagiscono debolmente con la materia ordinaria. Nel 2020, il fisico Yifan Chen dell’Accademia cinese delle scienze di Pechino e colleghi hanno descritto un modo per cercare gli assioni utilizzando le osservazioni della luce che circonda i buchi neri.

Secondo la teoria, un buco nero in rapida rotazione può creare un denso accumulo di particelle di assioni nelle immediate vicinanze. Esattamente quali tipi di assioni si formano dipende dalla larghezza del buco nero. E il buco nero supermassiccio in M87 ha le dimensioni giuste per preparare uno stufato di particelle ultraleggere simili ad assioni. Se questo buco nero effettivamente sollevasse una tale nuvola, ciò cambierebbe l’orientamento, o la polarizzazione, della luce proveniente da quella regione. In particolare, la polarizzazione oscillerebbe nel tempo.

Sfortunatamente, nessuno aveva immagini di luce polarizzata da un buco nero da esaminare, fino all’anno scorso. Fu allora che l’Event Horizon Telescope, o EHT, una rete di radiotelescopi che abbraccia la Terra, rivelò la sua immagine della luce polarizzata attorno al buco nero supermassiccio al centro di M87 (SN: 24/03/21).

Questa “è esattamente l’informazione di cui abbiamo bisogno per portare a termine questa proposta teorica”, afferma il fisico delle particelle Yue Zhao dell’Università dello Utah a Salt Lake City. “Abbiamo una condizione molto estrema che può produrre un’enorme quantità di assioni e abbiamo lo strumento giusto per studiare la firma dell’assione”.

Quindi Zhao, Chen e colleghi hanno esaminato i dati EHT per un cambiamento variabile nel tempo nella direzione della polarizzazione. Mentre una nuvola di assioni altererebbe la direzione, anche la regione attiva e turbolenta attorno al buco nero cambierà. Questa è una “specie di sfondo inevitabile con cui dobbiamo fare i conti”, dice Zhao. Dopo averlo rimosso dal segnale totale, hanno scoperto che non c’è abbastanza oscillazione aggiuntiva per dire che qualsiasi segnale potrebbe provenire dalla nuvola di assioni. Hanno escluso l’esistenza di assioni ultraleggere con una massa di circa 10 miliardesimi di miliardesimo di miliardesimo della massa di un elettrone.

Ma la stessa tecnica potrebbe essere usata per cacciare altre particelle simili ad assioni. “Più grande è il buco nero che hai, più leggera è la tua massa”, dice Zhao. I fisici sperano di utilizzare le future osservazioni dell’EHT di altri buchi neri per cercare assioni di diverse masse. Un buco nero sul radar di EHT è il colosso al centro della nostra galassia, osserva Zhao, che è circa un millesimo della massa di M87 (SN: 6/5/19). Se il mostruoso buco nero della nostra galassia ha una nuvola di assioni, quelle sarebbero particelle pesanti.

“Questa idea di cercare queste particelle simili ad assioni è, secondo me, la cosa più eccitante che sta accadendo nella fisica delle particelle in questo momento”, afferma Safdi.

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