Esplorato il collegamento tra antimateria e materia oscura

Esperimenti ultrasensibili su antiprotoni forniscono una finestra sulle possibili differenze tra materia e antimateria. Ora possono anche far luce sull'identità della materia oscura - la massa "mancante" nell'Universo.

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Due dei misteri più intriganti della cosmologia moderna sono l’apparente preponderanza della materia ordinaria sull’antimateria e la natura della materia oscura, che rappresenta circa l’85% della massa nell’Universo

Ci siamo resi conto dell’esistenza della materia oscura solo attraverso i suoi effetti gravitazionali su oggetti astrofisici. Pertanto, qualunque sia il tipo di particella di cui è fatta deve avere interazioni deboli con altra materia. Un candidato di spicco è l’assione, una particella neutra che originariamente era stata postulata per spiegare perché al neutrone manca un momento misurabile di dipolo elettrico

Fino ad ora, i ricercatori hanno cercato prove di accoppiamenti tra la materia oscura degli assioni e particelle ordinarie come fotoni, elettroni e nuclei. Ora, un nuovo articolo pubblicato su nature riferisce di una ricerca su un accoppiamento tra la materia oscura degli assioni e l’antimateria (in particolare, gli antiprotoni).

Ogni particella nota può essere classificata come un bosone o un fermione

I bosoni hanno spin intero (momento angolare intrinseco) e includono un fotone (spin-1) e un bosone di Higgs (spin-0). Al contrario, i fermioni hanno spin di mezzo intero e includono un elettrone (spin-1/2).



Si ritiene che l’assione sia un bosone spin-0 che ha una parità dispari, il che significa che la sua funzione d’onda cambia segno se le coordinate spaziali vengono capovolte.

A differenza della materia oscura fermionica (come i candidati a materia oscura chiamati WIMP che sono particelle voluminose che interagiscono debolmente), non vi è alcun limite al numero di assioni che possono esistere in un determinato volume di spazio. Di conseguenza, se la la materia oscura fosse realmente composta da assioni avrebbe una gamma estremamente ampia di masse potenziali.

Le misure astrofisiche pongono un limite superiore sulla massa di circa 10-2 elettronvolt (eV). Questo valore è espresso in unità di energia, in cui la massa dell’elettrone è 511 kiloelettronvolts e la massa del protone è 938 megaelectronvolts (vedi go.nature.com/2bwkrqz) e un limite inferiore di circa 10–22 eV che deriva dal fatto che, quando queste particelle sono descritte come onde nella meccanica quantistica le loro lunghezze d’onda non possono essere più grandi delle dimensioni di una galassia nana, altrimenti tali galassie mostrerebbero deviazioni dalla loro struttura osservata.

Le particelle associate alla materia oscura basata su assioni possono essere pensate come onde classiche che hanno una frequenza di oscillazione direttamente proporzionale alla massa degli assioni.

Esistono diverse tecniche che possono essere utilizzate per cercare tali onde, e la più appropriata dipende principalmente dalla gamma di frequenze che viene considerata. Per gli assioni che hanno masse inferiori a 10-17  eV (corrispondente a una frequenza di decine di millihertz), le onde oscillano molto lentamente. Se gli antiprotoni sono trattenuti nel forte campo magnetico di un dispositivo noto come trappola di Penning, queste onde produrranno cambiamenti nella frequenza alla quale gli spin degli antiprotoni hanno preceduto.

L’esperimento di simmetria di Baryon – Antibaryon (BASE) effettuato presso il laboratorio europeo di fisica delle particelle CERN vicino a Ginevra, in Svizzera, utilizza questa tecnica.

La collaborazione BASE si basa su trappole Penning ultrasensibili, che utilizzano configurazioni specializzate di campi magnetici ed elettrici per intrappolare gli antiprotoni in un ambiente ad alto vuoto. Questo set-up consente agli antiprotoni di essere misurati continuamente per lunghi periodi di tempo, e di essere spostati avanti e indietro tra le diverse camere di misurazione senza imbattersi nella materia ordinaria e essere annientati. 

Uno degli obiettivi principali della collaborazione è determinare il momento magnetico intrinseco dell’antiprotone. Questa quantità può essere calcolata con estrema precisione usando il modello standard di fisica delle particelle – l’attuale teoria che spiega le particelle e le forze dell’Universo.

Nel 2017, Smorra et al. fatto una misurazione ultraprecisa del momento magnetico dell’antiprotone (a una parte su un miliardo), vincolando molte teorie della fisica oltre il modello standard. La chiave del loro metodo era la misurazione simultanea della precessione di spin e una quantità chiamata frequenza di ciclotrone, che descrive il movimento ciclico di un antiprotone in una trappola. Questo compito era impegnativo, poiché richiedeva un controllo meticoloso di un dispositivo noto come flacone magnetico per determinare in modo non distruttivo lo stato di rotazione dell’antiprotone. La misurazione del gruppo ha richiesto centinaia di esperimenti, ognuno dei quali è durato per quasi un’ora e si è svolto per diversi mesi.

Nel presente documento, Smorra e colleghi, che includono membri della collaborazione BASE, hanno analizzato i dati di questi esperimenti. Hanno proposto che le onde corrispondenti alla materia oscura composta da assioni che oscillavano a frequenze comprese tra 10–8 e 10-2 hertz avrebbero spostato la frequenza di spin-precessione in un modo piccolo ma misurabile se l’accoppiamento degli assioni con gli antiprotoni fosse stato sufficientemente forte

Sebbene non sia stato rilevato alcun segnale di assione, gli autori hanno vincolato il parametro che quantifica le interazioni assione-antiprotone a valori superiori a 0,1-0,6 gigaelettronvolt nella gamma di masse di assioni da 2 × 10 −23 eV a 4 × 10 −17 eV (Fig. 1). 

Questi limiti sono pari a 105 volte più forte dei vincoli astrofisici (come stimato dagli autori), che considerano come gli assioni avrebbero potuto essere prodotti dagli antiprotoni nella supernova del 1987A.

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Figura 1 | Vincolare le interazioni assione-antiprotone. Le particelle chiamate assioni potrebbero spiegare la sfuggente materia oscura che pervade l’Universo. Smorra et al. presentano limiti sperimentali sull’accoppiamento tra la materia oscura ad assioni e antiprotoni. Questi limiti sono espressi in termini di un parametro di interazione assione-antiprotone e variano con la massa dell’assione o la frequenza dell’assione se la particella è rappresentata come un’onda (eV, elettronvolts; GeV, gigaelectronvolts; Hz, hertz). Il limite combinato rappresenta il vincolo più forte che potrebbe essere impostato dai dati sperimentali. Un limite astrofisico, come stimato dagli autori, è incluso per il confronto. Le aree colorate e tratteggiate mostrano lo spazio dei parametri escluso.

I lavori futuri dovrebbero mirare a limitare ulteriormente l’accoppiamento assione-antiprotone e cercare prove di interazioni tra la materia oscura degli assioni e altre forme di antimateria, come i positroni (le antiparticelle degli elettroni). Una scoperta chiave in questi studi potrebbe essere l’osservazione che la materia oscura si accoppia all’antimateria in modi diversi dai suoi accoppiamenti alla materia ordinaria, un risultato che potrebbe aiutare a spiegare perché esiste un predominio della materia sull’antimateria nell’Universo.

Smorra e colleghi hanno messo in evidenza una tendenza crescente nella fisica delle alte energie, in base alla quale vengono utilizzate misurazioni estremamente precise per inchiodare i parametri fondamentali delle particelle e cercare prove di fisica oltre quella del modello standard. 

La materia oscura ad Assioni, che ha una vasta gamma di massa potenziale e accoppiamenti previsti straordinariamente deboli, ha attraversato una rinascita in termini di tecniche di rilevamento innovative. La ricerca di un accoppiamento preferito tra la materia oscura ad assioni e l’antimateria (al contrario della materia ordinaria) è una prospettiva entusiasmante e potrebbe rivelarsi la chiave per sbloccare diversi misteri nella cosmologia man mano che la tecnologia migliora.

Fonte: Nature

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