Cercando la materia oscura: dai laboratori del Gran Sasso una nuova visione dell’Universo

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Potrebbe essere una chiave per il segreto dell’universo o solo dei fastidiosi rumori di fondo. Un team di scienziati a caccia di materia oscura ha registrato dei fenomeni particolari provenienti da una vasca di xeno liquido sotto una montagna in Italia.

Gli scienziati non stanno confermando apertamente di aver scoperto la materia oscura, ma in tale contesto potrebbero fornirci una nuova visione dell’universo, ovvero la prova dell’esistenza di una specie di particelle subatomiche chiamate “assioni”“Non è materia oscura, ma scoprire una nuova particella sarebbe fenomenale”, ha dichiarato Elena Aprile della Columbia University, che guida la Xenon Collaboration, il progetto che ha reso nota tale rilevazione. In una dichiarazione il team ha affermato che il rilevamento degli assioni avrebbe “un grande impatto sulla nostra comprensione della fisica fondamentale, ma anche sui fenomeni astrofisici”.

Ma ci sono altre spiegazioni per la scoperta. Invece di assioni, gli scienziati potrebbero aver rilevato una nuova proprietà delle particelle spettrali sdrucciolevoli chiamate “neutrini”. Un’altra spiegazione altrettanto probabile è che il loro rivelatore sia stato contaminato da minuscole quantità di trizio, una rara forma radioattiva di idrogeno.

Frank Wilczek, vincitore del Nobel presso il Massachusetts Institute of Technology, che fu uno dei primi fisici a proporre l’assione, ha definito questa scoperta intrigante, ribadendo di attendere con impazienza ulteriori sviluppi. Altri scienziati hanno invece risposto con cauta eccitazione: “sto cercando di essere calmo qui, ma è difficile non essere iperbolici”, ha detto Neal Weiner, teorico delle particelle alla New York University. “Se questo è reale, definirlo un punto di svolta sarebbe un eufemismo.”

L’esperimento di Xenon consiste nel voler rilevare la materia oscura, la misteriosa sostanza che secondo gli astronomi sommerse l’universo, superando la materia atomica ordinaria. Nella cosmologia moderna, la materia oscura è la salsa segreta dell’universo. Si raccoglie in nuvole invisibili, attirando la materia atomica ordinaria in grumi che alla fine si illuminano come stelle e galassie. La migliore ipotesi è che questa materia oscura sia costituita da nuvole di particelle subatomiche esotiche rimaste dal Big Bang e conosciute genericamente come WIMP, centinaia o migliaia di volte più massicce di un atomo di idrogeno.

Xenon Collaboration è un team multinazionale di 163 scienziati provenienti da 28 istituzioni e 11 paesi. In un tunnel di un miglio sotto la roccia del Gran Sasso National Laboratory in Italia, la Dott.ssa Aprile e i suoi colleghi hanno cablato una serie di vasche contenenti xeno liquido con fotomoltiplicatori e altri sensori. La speranza è che il dispositivo della sua squadra – lontano nel sottosuolo per proteggerlo dai raggi cosmici e da altre forme mondane di interferenza – rilevi la rara collisione tra un WIMP e un atomo di xeno. La collisione dovrebbe provocare un lampo di luce e una nuvola di carica elettrica.

Finora non è successo. L’ultima versione, chiamata Xenon1T, ha funzionato dal 2016 al 2018 con l’obiettivo di raggiungere due tonnellate di xenon. Il team aveva cercato elettroni, piuttosto che i nuclei di xeno più pesanti, indietreggiando dalle collisioniL’esperimento ha subito dei ritardi a causa della pandemia da coronavirus in Italia, ma ora potrebbe avviarsi entro la fine di quest’anno. Se tale eccesso dovesse risultare reale, dovrebbe comparire entro un mese o due. Quindi per ora le possibilità di rilevare assioni, neutrini o trizio sono ancora vive.

La storia degli assioni inizia nel 1977, quando Roberto Peccei, professore all’Università della California, Los Angeles e Helen Quinn, professoressa a Stanford, suggerìrono una leggera modifica alla teoria che governa le forti forze nucleari, assicurandosi che siano invariante rispetto alla direzione del tempo, una caratteristica che i fisici considerano una necessità per l’universo. Sia il Dr. Wilczek che Steven Weinberg dell’Università del Texas ad Austin hanno realizzato che questa modifica implicava l’esistenza di una nuova particella subatomica. Il dottor Wilczek lo chiamò axion e il nome rimase.

I teorici hanno immaginato molte versioni di assioni che potrebbero svolgere ruoli diversi nell’universo, inclusa l’essere la materia oscura che, piuttosto che WIMPS, riempie l’universo e lega le galassie. E sebbene non siano WIMPS, condividono alcune di quelle strane capacità immaginarie di quelle particelle, come essere in grado di fluttuare attraverso la Terra e i nostri corpi come fumo attraverso una porta a schermo.

Altri esperimenti sono in corso per provare a rilevare direttamente la materia oscura cosmica, tra questi troviamo la Axion Dark Matter Experiment presso l’Università di Washington, che utilizza un forte campo magnetico per rilevare gli assioni e infine un esperimento al CERN in Svizzera, CAST per il CERN Axion Solar Telescope, ha anche cercato assioni dal sole.

L’altra eccitante, anche se leggermente meno probabile, possibilità è che i segnali in eccesso della collaborazione allo Xeno provengano dalle particelle vaporose conosciute come neutrini, che sono reali e strane, e sfrecciano attraverso i nostri corpi. Normalmente, questi neutrini non contribuirebbero molto all’eccesso di eventi letti dal rivelatore. Ma lo farebbero se avessero un magnetismo intrinseco. Ciò darebbe loro una maggiore probabilità di interagire con lo xeno e far scattare il rilevatore. Secondo la tradizione standard, i neutrini, che sono elettricamente neutri, non portano magnetismo.

La scoperta che hanno fatto chiederebbe di riscrivere le regole mentre si applicano ai neutrini. Ciò, ha affermato il dott. Weiner, sarebbe “un grosso problema”, perché implicherebbe che ci sono nuove particelle fondamentali da cercare: nuova fisica. Tuttavia, il Dr. Weiner e altri, inclusi gli stessi autori di Xenon, hanno messo in guardia sul fatto che sia le ipotesi di assione che di neutrino magnetico sono in conflitto con osservazioni astronomiche.

Le stelle morte che hanno esaurito il loro combustibile nucleare svaniscono e si raffreddano nel tempo mentre irradiano la loro energia. Se dovessero perdere assioni o questi neutrini magnetici come il sole, ha sottolineato il dott. Weiner, perderebbero energia e svanirebbero più velocemente di quanto vedano gli astronomi. Il trizio infine rimane uno dei possibili obiettivi, poiché l’idrogeno è l’elemento più leggero e abbondante nell’universo e il trizio è uno dei suoi isotopi radioattivi. Lo troviamo principalmente dai raggi cosmici che interagiscono con l’atmosfera e viene utilizzato nelle bombe all’idrogeno per aumentare il loro potere esplosivo. “Se l’isotopo è la causa dell’eccesso, la quantità che causerebbe le letture è di circa 3 atomi di trizio per chilogrammo di xeno, un numero decisamente basso”, ha detto il Dott. Grandi, ansioso di tornare nel Gran Sasso e riprendere i lavori per ottenere online la prossima fase dell’esperimento Xenon.

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