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La caccia all’assione continua

QUAXNell’elenco di problemi che più angustiano i fisici, la natura della materia oscura è ai primi posti.

L’urgenza del problema è nei numeri: questa elusiva materia contribuisce per circa un quarto all’energia totale dell’universo, un’enormità se confrontato con lo striminzito 5% proveniente da materia e radiazione ordinarie. E il resto? È energia oscura: qualcosa che sta accelerando l’espansione dell’universo e che, probabilmente, nell’elenco dei problemi occupa il primo posto.

Ma torniamo alla materia oscura. La grande maggioranza dei fisici ritiene che essa sia costituita da un nuovo tipo di particelle, estranee al Modello Standard e finora sfuggite all’osservazione sperimentale. Tra queste, una ha attirato l’attenzione dei fisici: l’assione. Questa particella, inizialmente ipotizzata, da Peccei e Quinn, per spiegare l’assenza di violazione della simmetria CP nell’interazione forte, è prevista essere leggera e accoppiarsi molto debolmente alla materia e alla radiazione ordinarie. Queste caratteristiche rendono gli assioni un candidato ideale per costituire la materia oscura e, soprattutto, rendono plausibile una loro grande produzione nelle prime fasi di vita dell’universo, che sarebbe quindi permeato da una sorta di fluido “assionico”. Purtroppo, come anticipato, ogni sforzo di evidenziare in modo inequivocabile l’esistenza di questo fluido si è rivelato vano, e, al momento, l’esistenza degli assioni è da ritenersi un’ipotesi di lavoro.

Ma, vista la posta in gioco, nessuno ha intenzione di gettare la spugna e perciò continuamente vengono proposti nuovi esperimenti sempre più raffinati e tecnologicamente evoluti. La più recente tra queste proposte è l’esperimento QUAX [1]. L’idea alla base dell’esperimento è completamente nuova e prevede lo studio dell’interazione degli assioni cosmologici con lo spin degli elettroni di un materiale posto all’interno di un campo magnetico statico il cui valore è scelto in modo che la frequenza di Larmor (la frequenza del moto di precessione dello spin elettronico rispetto alla direzione del campo magnetico) sia sintonizzata all’intervallo di massa dell’assione che si vuole esplorare (dell’ordine di 100 μeV). Questa interazione produce una modulazione della magnetizzazione del materiale che porta all’emissione di fotoni nella banda di frequenza delle onde radio. La potenza associata alla modulazione è estremamente bassa per cui si renderà necessario costruire un rivelatore in grado di rivelare il singolo fotone, una sfida tecnologica non da poco.  Al fine di ottimizzare la rivelazione, il materiale è posto all’interno di una cavità a microonde, che per ridurre il rumore associato ai fotoni termici, è raffreddata a una temperatura molto vicina allo zero assoluto (circa -273 gradi centigradi).

L’esperimento è attualmente nella fase di ricerca e sviluppo presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN, ed è previsto entrare in misura verso la fine del 2019. Insomma, la caccia all’assione non si ferma ma prosegue con nuove armi, tecnologicamente più avanzate. (Danilo Babusci)

[1] R. Barbieri et al., Searching for galactic axions through magnetized media: the QUAX proposal   arxiv.org/abs/1606.02201