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Cavità risonanti per l’Assione

Una nuova particella elementare, l’assione, è stata teorizzata negli anni settanta da R.D. Peccei, H. Quinn, S. Weinberg e F. Wilczek per spiegare perché le cariche elettriche si distribuiscono omogeneamente all’interno di un neutrone e non formano un dipolo elettrico, come accade per esempio in una molecola d’acqua. Poco dopo questa previsione, esperimenti a collisori di particelle e studi sull’evoluzione stellare hanno mostrato che l’assione, se esiste, deve essere una particella molto leggera, con una massa inferiore a 1 eV (circa un milionesimo della massa dell’elettrone) e con una interazione con la materia estremamente debole. Da allora, è stato chiamato “l’assione invisibile”. Una tale particella leggera, però, sarebbe stata prodotta abbondantemente nell’Universo primordiale e formerebbe oggi l’alone di materia oscura della nostra galassia.

Nel 1982, P. Sikivie affermò che l’assione non era affatto “invisibile”, ma si poteva osservare con esperimenti appropriati. Egli descrive un’antenna speciale, chiamata “aloscopio”, in grado di catturare il segnale dell’alone di assioni della nostra galassia. Infatti, la densità degli assioni può essere così grande, oltre mille miliardi di particelle per centimetro cubo, che nonostante la loro debole interazione indurrebbero un segnale sull’antenna.

L’aloscopio sfrutta la proprietà dei forti campi magnetici di convertire gli assioni in onde elettromagnetiche: un cilindro metallico cavo, detto cavità risonante, è immerso in un forte campo magnetico (linee rosse nell’immagine in alto) in grado di trasformare un assione (linea verde) in un campo elettromagnetico oscillante all’interno della cavità (linea blu). Tale campo oscillante può essere considerato come un singolo fotone che rimbalza tra le pareti interne della cavità risonante. Dato che l’energia si conserva, l’energia del fotone deve essere uguale alla massa dell’assione moltiplicata per la velocità della luce al quadrato (la famosa relazione di Einstein E = mc2). La presenza del fotone può essere rilevata con amplificatori di segnale molto sensibili. Per evitare di osservare solo i fotoni “termici” emessi dalle pareti metalliche della cavità, è necessario raffreddare tutto l’apparato sperimentale a temperature criogeniche vicine allo zero assoluto.

Poco dopo la proposta di Sikivie, due esperimenti, i cui acronimi sono RBF e UF, sono stati eseguiti negli Stati Uniti. Questi non avevano la sensibilità necessaria per osservare gli assioni, sensibilità che invece è stata raggiunta da un altro esperimento negli Stati Uniti, ADMX, concepito per rivelare assioni con masse di alcuni microelettronvolt (mille miliardi più leggeri dell’elettrone). Purtroppo nessun segnale è stato osservato.

Vista dell’estrazione del magnete e della cavità risonante dal contenitore di elio liquido durante una fase di R & D per l’esperimento Quax.

Recentemente, un nuovo esperimento presso lo Yale Wright Laboratory ha pubblicato i risultati di una ricerca di assioni galattici nell’intervallo di massa tra 20 e 100 microelettronvolt [Brubaker et al. Physical Review Letters 118, 061302 (2017), liberamente accessibile all’indirizzo https://arxiv.org/abs/1610.02580]. Attualmente l’esperimento ha esaminato solo la regione vicino ai 20 microelettronvolt. La ricerca per masse maggiori comporta ulteriori difficoltà sperimentali le cui soluzioni saranno tentate con attività di ricerca e sviluppo (R & S). L’INFN partecipa a questa ricerca con l’esperimento Quax, cui i Laboratori Nazionali di Frascati collaborano. La R & S si concentra principalmente sulla progettazione di cavità risonanti e sulla rilevazione di fotoni a microonde.

Una cavità risonante ottimale per le ricerche di assioni deve avere un grande volume e un alto fattore di merito (definito in seguito). Un grosso volume massimizza la regione di interazione degli assioni con il campo magnetico, un po’ come usare una grande rete da pesca per catturare più pesci. Tuttavia, il volume della cavità deve essere ottimizzato per intrappolare il fotone, adattando la dimensione lineare della cavità alla lunghezza d’onda del fotone (dualità onda-particella). Una maggiore massa dell’assione e quindi una maggiore energia del fotone, implica una lunghezza d’onda più corta e un volume di cavità più piccolo. Se gli assioni avessero una massa di circa un millielettronvolt il volume della cavità sarebbe di pochi millimetri cubici!

Il fattore di merito di una cavità è legato al numero di rimbalzi che un fotone può fare prima di essere assorbito dalle pareti della cavità. Maggiore è il fattore di merito, maggiore è la probabilità che un assione possa eccitare una oscillazione di un fotone nella cavità. Inoltre, una vita più lunga del fotone implica un’alta efficienza di rilevazione del fotone stesso. I migliori fattori di merito sono ottenuti con cavità superconduttrici, ma queste non funzionano all’interno di un campo magnetico. Sono state proposte varie soluzioni per superare questi problemi come matrici di cavità, nuove geometrie, cavità composte da due specchi riflettenti, cavità in meta-materiali e altro ancora.

I fotoni a microonde, nell’intervallo di frequenza compreso tra 10 e 100 GHz, hanno energie decine di migliaia di volte inferiori alla luce visibile. Nell’esperimento presso lo Yale Wright Laboratory i fotoni provenienti da conversioni di un assione avrebbero un’energia di circa 5 × 10-24 Joule e si prevede che ne sarebbe emesso uno al secondo, pari ad una potenza microscopica di 5 × 10-24 Watt (5 yoctoW)! Per confronto, i fotoni emessi da un corpo a temperatura ambiente hanno un’energia di circa 5 × 10-21 Joule, mille volte più grandi. Per rilevare un segnale così debole, la configurazione sperimentale viene raffreddata ad una temperatura di circa 100 mK, poco sopra lo zero assoluto. A questa temperatura il rumore è dominato dagli effetti quantistici! Secondo la meccanica quantistica, l’energia minima di un oscillatore non è zero ma metà di un quanto di energia hν. Amplificatori molto sensibili sono in grado di aumentare di un fattore 100 la potenza del segnale aggiungendo solo mezzo quanto di energia al rumore iniziale. Questo viene chiamato lo Standard Quantum Limit (SQL) degli amplificatori. Benché raggiungere il limite quantistico con un amplificatore sia già un risultato sorprendente, sviluppi recenti nel campo del quantum computing hanno portato a dispositivi in grado di conteggiare singoli fotoni a microonde: i contatori di singolo fotone non sono limitati dallo SQL! Ciò consentirebbe ai fisici di aumentare la sensibilità degli esperimenti futuri per le ricerca di assioni. (Claudio Gatti)