Particelle estremamente leggere che interagiscono debolmente possono svolgere un ruolo fondamentale nella cosmologia e nella ricerca della sfuggente materia oscura. Sfortunatamente queste particelle si sono rivelate molto difficili da rilevare utilizzando i collisori ad alta energia oggi a disposizione degli scienziati. I ricercatori di tutto il mondo hanno quindi cercato di sviluppare tecnologie e metodi alternativi che potrebbero consentire il rilevamento di queste sfuggenti particelle.
Utilizzando questa tecnica, due diversi gruppi di ricerca (uno dell’Università di Aarhus in Danimarca e l’altro del Massachusetts Institute of Technology), hanno recentemente eseguito esperimenti volti a raccogliere indizi sull’esistenza dei bosoni oscuri, particelle elusive che sono tra i candidati più promettenti della materia oscura. I loro risultati, pubblicati su Physical Review Letters, potrebbero avere importanti implicazioni per i futuri esperimenti sulla materia oscura.
In teoria, le interazioni tra particelle che non sono mai state osservate prima, come i bosoni e particelle note come gli elettroni, dovrebbero riflettersi in una discrepanza tra le frequenze di transizione previste dal Modello Standard e quelle misurate in atomi reali. Anche se i fisici sono in grado di raccogliere misurazioni di frequenza estremamente precise, i calcoli basati sulla teoria per i grandi atomi avranno un margine di incertezza così ampio da non poter essere confrontati in modo affidabile con le misurazioni dirette.
Elina Fuchs, fisica teorica del Fermilab che ha collaborato con il team dell’Università di Aarhus ha detto a Phys.org:
“Il trucco utilizzato nei lavori precedenti era quello di eseguire misurazioni di frequenza delle stesse transizioni in diversi isotopi dell’elemento an, e risalire a un’ansatz degli anni ’60 (King ’63). La differenza tra la stessa transizione in due diversi isotopi è chiamata spostamento isotopico. Confrontando almeno tre spostamenti isotopici di almeno due transizioni, non è più necessario fare affidamento sui calcoli delle frequenze nel modello standard. Invece, il nostro metodo utilizza solo le misurazioni, disposte in 3 punti dati che sono ciascuna una coppia delle due frequenze di transizione misurate in un cosiddetto diagramma King. Allora la domanda è abbastanza semplice: i tre punti giacciono su una linea retta, come previsto nel modello standard?”
La tecnica utilizzata dal team di Aarhus, guidato da Michael Drewsen, e dal team di ricercatori del MIT guidato da Vladan Vuletic, prevede l’esame degli spostamenti isotopici disposti in 4 punti dati. Se questi punti formano una linea retta, le osservazioni sono allineate con il modello standard, il che suggerisce che non è stata rilevata alcuna nuova fisica. Se non formano una linea retta il risultato potrebbe suggerire la presenza di nuovi bosoni o altri fenomeni fisici sconosciuti.
Se la non linearità osservata utilizzando questo metodo supera in modo significativo le barre di errore del modello standard, i ricercatori dovrebbero essere in grado di impostare nuovi limiti sugli accoppiamenti e sulla massa del bosone che potrebbero aver rilevato. Tuttavia, se è inaspettatamente grande, la non linearità potrebbe essere associata a un bosone che ha disturbato i livelli di energia di un elettrone o ad altri fenomeni fisici previsti dal Modello Standard che sono anche noti per infrangere la linearità degli spostamenti isotopici.
Julian Berengut, teorico del team di Aarhus, che lavora all’UNSW di Sydney e ha condotto il recente studio, ha detto a Phys.org:
“La ricerca di nuovi bosoni utilizzando la non linearità del diagramma di King è una delle numerose ricerche di nuova fisica che utilizzano esperimenti atomici o molecolari di precisione anziché collisori ad alta energia. L’idea alla base di tutte queste ricerche è che con alta precisione è possibile sondare gli effetti sottili delle particelle che potresti non essere in grado di rilevare facilmente nei collisori. In genere, questi esperimenti sono molto più piccoli e molto più economici degli esperimenti sui collisori e fornire un approccio complementare. Il nostro articolo, così come quello adiacente del gruppo di Vladan Vuletic al MIT, sono davvero le prime misurazioni dedicate raccolte utilizzando il metodo di non linearità del diagramma di King”.
Sia il gruppo di ricerca di Vuletic che il team di Drewsen hanno raccolto le misurazioni utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di precisione. Questa tecnica può essere utilizzata per raccogliere misurazioni di frequenza molto precise negli atomi, ad esempio registrando le frequenze mostrate quando un atomo transita tra stati diversi. Nei loro esperimenti, il team del MIT e i ricercatori dell’Università di Aarhus hanno esaminato rispettivamente ioni di itterbio e ioni di calcio.
Vladan Vuletic, il ricercatore che ha guidato il gruppo al MIT ha detto a Phys.org:
“Il nostro obiettivo principale era testare nuove forze oltre a quelle attualmente conosciute (come delineato dal Modello Standard) ed escluderle a un certo livello. Questo test era stato fatto prima, ma non con la precisione che abbiamo raggiunto. Contemporaneamente al nostro lavoro, il gruppo guidato da Michael Drewsen in Danimarca ha misurato transizioni simili circa 10 volte più precisamente, ma in un atomo con circa 10 volte meno sensibilità al nuovo effetti rispetto all’atomo che usiamo, quindi la sensibilità del nostro esperimento e dell’esperimento di Drewsen hanno finito per essere più o meno la stessa cosa”.
Per condurre una ricerca di bosoni oscuri in maniera efficace utilizzando il metodo basato sulla spettroscopia di precisione, i fisici devono misurare le transizioni ottiche in diversi isotopi dello stesso elemento a 10-15 Hz con una precisione sub-kHz (cioè, con una precisione frazionaria di 1 parte in 10 12 o migliore). Per fare ciò, le particelle che esamineranno dovrebbero essere intrappolate. Vuletic e i suoi colleghi hanno intrappolato ioni di itterbio che hanno usato in quella che è nota come “trappola di Paul“, utilizzando campi elettrici oscillanti. Hanno studiato questi ioni con un laser stabilizzato utilizzando un risonatore ottico con specchi altamente riflettenti.
Come ha detto Vuletic:
“Abbiamo misurato la frequenza di un isotopo per mezz’ora scansionando la frequenza laser, quindi siamo passati a un altro isotopo, misurato per 30 minuti, siamo tornati al primo isotopo e abbiamo calcolato la media delle misurazioni dopo ogni giorno di lavoro. Il giorno successivo, avremmo misurato un’altra coppia di isotopi e così via”.
Poiché si basano su misurazioni di altissima precisione, gli esperimenti condotti dai gruppi di Vuletic e Drewsen sono molto complessi da eseguire. Gli esperimenti, richiedono un buon controllo sia degli ioni intrappolati che delle diverse sorgenti laser utilizzate per la ionizzazione, il raffreddamento e la spettroscopia.
Il team dell’Università di Aarhus ha raccolto misurazioni ancora più precise rispetto al gruppo di Vuletic, raggiungendo una precisione senza precedenti di 20 Hz sulla cosiddetta struttura D-fine ~ 2 THz che si divide in cinque isotopi Ca+, che corrisponde a una precisione relativa di 10-11. Nei loro esperimenti, hanno utilizzato una serie di strumenti tecnologici e tecniche sviluppati nel secolo scorso, tra cui trappole ioniche, metodi di raffreddamento laser e uno strumento speciale noto come laser a pettine di frequenza a femtosecondo.
Cyrille Solaro, ricercatore dell’Università di Aarhus che ha condotto il recente studio, ha detto a Phys.org:
“L’invenzione del cosiddetto laser a pettine di frequenza a femtosecondi intorno all’anno 2000 è ciò che ha reso possibile sondare in modo molto preciso i livelli di energia elettronica della divisione della struttura D-fine, utilizzando un metodo che abbiamo recentemente dimostrato all’Università di Aarhus. Sebbene non sia paragonabile in termini di dimensioni e investimenti agli enormi sforzi collettivi del CERN, è notevole che tali esperimenti ‘da tavolo’ possano contribuire a esplorare alcune delle stesse domande fondamentali nella scienza, affrontando principalmente particelle più leggere, e significativi progressi sperimentali hanno è avvenuto nel breve lasso di tempo di pochi anni”.
Oltre alla notevole precisione, i due team di ricerca hanno misurato 4 spostamenti isotopici utilizzando 5 diversi isotopi, mentre studi precedenti hanno raccolto misurazioni per un massimo di 4 isotopi. In definitiva, i loro esperimenti hanno permesso di migliorare il limite sull’accoppiamento di un nuovo bosone con elettroni e neutroni di un fattore 30 rispetto al limite precedente, anch’esso impostato sulla base di un diagramma King degli spostamenti degli isotopi (ovvero, utilizzando lo stesso tecnica).
Come ha detto Fuchs:
“Il nostro limite fortemente migliorato non è più forte di quello esistente derivato dalla combinazione di due modi complementari di testare gli accoppiamenti (dispersione dei neutroni e momento magnetico dell’elettrone), ma evidenzia i rapidi e significativi progressi ottenibili con il metodo King plot. Inoltre, abbiamo evidenziato lo spazio realistico per un ulteriore miglioramento del limite se questa transizione di scissione della struttura D-fine viene misurata in ioni Ca, Ba o Yb con la precisione attuale o futura, dimostrando che accoppiamenti e masse finora non testati possono essere testato con la precisione ammissibile di 10 mHz. Tale precisione consentirà anche un test indipendente dell’anomalia Be”
Mentre le misurazioni raccolte dal team dell‘Università di Aarhus erano lineari e quindi allineate con le previsioni del modello standard, il team di Vuletic ha osservato una deviazione dalla linearità con una significatività statistica di 3 sigma. Sebbene questa deviazione potrebbe derivare da termini aggiuntivi all’interno del Modello Standard, potrebbe anche suggerire l’esistenza dei bosoni oscuri.
Come ha detto Vuletic
“Ci sono ampie prove che ci sia fisica oltre il Modello Standard (ad esempio, sappiamo che c’è Materia Oscura nell’universo), ma non abbiamo idea di cosa costituisca questa nuova fisica. È importante cercare sperimentalmente in direzioni diverse per escludere certe possibilità , o se si è estremamente fortunati, per trovare nuova fisica o una nuova particella da qualche parte. Stiamo cercando particelle in un intervallo di massa intermedio, dove in realtà abbiamo una sensibilità migliore di ricerche dirette che utilizzano acceleratori di particelle, poiché abbiamo uno straordinario grado di controllo sul sistema a livello di singolo atomo e quantistico”.
Sia il team del MIT che il gruppo dell’Università di Aarhus hanno in programma di condurre ulteriori ricerche per i bosoni oscuri e per altri candidati alla materia oscura utilizzando la spettroscopia ad alta risoluzione e tramite grafici King degli spostamenti degli isotopi. Il loro lavoro potrebbe infine aprire la strada all’osservazione sperimentale dei segnali associati alla materia oscura.
Come ha detto Vuletic:
“Ora continueremo la nostra ricerca con maggiore precisione e su nuove transizioni in cui le non linearità dovrebbero essere ancora più grandi. Questo alla fine ci permetterà di individuare la fonte della non linearità che abbiamo osservato; se proviene dalla struttura nucleare, o addirittura da una nuova fisica precedentemente sconosciuta”.
Nei loro prossimi studi, il team dell‘Università di Aarhus proverà a misurare gli spostamenti degli isotopi con una precisione ancora maggiore, in quanto ciò potrebbe consentire loro di stabilire nuovi limiti o rilevare nuove deviazioni dalle previsioni del Modello standard. Nel frattempo, i membri del team continueranno ad esplorare una varietà di altri argomenti, che vanno dal miglioramento della spettroscopia di precisione e dell’interferometria alla fisica del collisore per studiare le proprietà del bosone di Higgs o cercare nuove particelle pesanti.
Michael Drewsen, che ha guidato il team di Aarhus, ha detto a Phys.org:
“In particolare, abbiamo stabilito un contatto con il Prof. Hua Guan, presso l’Accademia cinese delle scienze di Wuhan, Cina, al fine di avviare una collaborazione volta a migliorare la sensibilità alla trama Ca + King di un fattore ~ ​​1000. Ciò può essere ottenuto attraverso una misurazione ~ 1000 volte più precisa della divisione della struttura D-fine eseguita presso l’Università di Aarhus sfruttando l’entanglement quantistico di due ioni di isotopi diversi e misurazioni della transizione SD con una precisione relativa di 10-17 da il gruppo di Wuhan”.
Oltre al metodo sperimentale utilizzato finora, Fuchs e i suoi colleghi del Weizmann Institute of Science in Israele stanno cercando di capire se è possibile misurare gli spostamenti isotopici degli stati di Rydberg. Questa versione alternativa del loro esperimento richiederebbe solo due isotopi.
Come ha concluso Berengut:
“Sono estremamente fiducioso sulla possibilità di migliorare il nostro esperimento sfruttando gli studi di precisione appena disponibili in ioni di calcio altamente caricati”, ha concluso Berengut. Con questi dati aggiuntivi, dovremmo essere in grado di rimuovere tutti i potenziali effetti sistematici e assicurarci di ottenere il massimo dalle nostre trame King”.
Fonte: https://phys.org/news/2020-12-hints-dark-bosons.html
