- Un nuovo esperimento del MIT esplora come rilevare gli axioni, possibili costituenti della materia oscura, utilizzando cavità ottiche avanzate.
I ricercatori propongono una nuova strategia per rilevare gli axioni, i mattoni della materia oscura
L’esperimento ADBC sfrutta cavità ottiche avanzate per identificare segnali minimi generati da particelle potenzialmente costitutive della materia oscura.
Molti scoperte scientifiche inizialmente vengono percepite come curiosità o semplici esperimenti da laboratorio, spesso relegati a fiere di scienza. Tuttavia, la storia della scienza dimostra che anche le scoperte più trascurabili possono rivelarsi fondamentali per decifrare enigmi cosmici o per scoprire applicazioni inaspettate.
Ricordiamo, ad esempio, il rinascimento della PCR, emersa in risposta alla pandemia di COVID-19. Analogamente, il calcite islandese, un minerale scoperto nel 1669 che produce due raggi misteriosi quando colpito da un singolo fascio di luce, ha avuto un ruolo significativo nelle dimostrazioni scientifiche. Oggi, la sua proprietà di birifrangenza potrebbe fornire indizi sulla natura della materia oscura.
La materia oscura: un mistero che persiste
La materia oscura rappresenta uno dei maggiori enigmi dell’universo. Pur essendo invisibile e intangibile, la sua esistenza è suggerita dalla sua influenza gravitazionale su galassie e altre strutture cosmiche. La vera natura della materia oscura, tuttavia, rimane sconosciuta. Una delle ipotesi più intriganti è che possa essere composta da particelle chiamate axioni, che, nonostante siano estremamente difficili da rilevare, potrebbero essere presenti in tutto l’universo.
Recentemente, un esperimento denominato Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC) ha fatto progressi significativi nella ricerca di queste particelle elusive. Condotto da ricercatori del Laboratorio LIGO dell’Institute of Technology di Massachusetts (MIT), l’esperimento mira a rilevare gli axioni osservando come influenzano le onde elettromagnetiche all’interno di una cavità ottica progettata specificamente. Anche se finora non sono stati rilevati axioni, i risultati ottenuti sono cruciali per migliorare le tecniche di ricerca future.
Cosa sono gli axioni?
Gli axioni sono particelle ipotetiche proposte per la prima volta negli anni ’70 come soluzione al “problema di simmetria CP forte” nella cromodinamica quantistica (QCD), la teoria che descrive le interazioni forti tra quark e gluoni. Questo problema sorge dalla previsione che certe interazioni violino una simmetria fondamentale nota come simmetria CP (carica-parità), cosa che non è mai stata osservata sperimentalmente.
Per risolvere questa discrepanza, il fisico Roberto Peccei e la sua collega Helen Quinn proposero un nuovo meccanismo teorico che introduceva una nuova particella: l’axione. Nel 1978, Frank Wilczek e Steven Weinberg, in modo indipendente, suggerirono che l’axione fosse il bosone di Goldstone della teoria di Peccei-Quinn, consolidando così la sua importanza nella fisica delle particelle.
Gli axioni possiedono caratteristiche che li rendono candidati ideali per spiegare la materia oscura. In primo luogo, si ritiene che siano particelle estremamente leggere, con masse che variano da frazioni minime di un elettronvolt (eV) a valori ancora più piccoli, a seconda del modello teorico. In secondo luogo, interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria e con la radiazione, rendendoli difficilmente rilevabili negli esperimenti convenzionali.
Questa stessa interazione debole, però, consente loro di attraversare la materia senza essere perturbati, un tratto simile a quello associato alla materia oscura, che non interagisce direttamente con la luce o altri tipi di radiazione.
Nonostante la loro leggerezza, la possibile abbondanza di axioni nell’universo suggerisce che essi possano giocare un ruolo cruciale nella cosmologia. Gli axioni potrebbero essersi formati in grandi quantità nei primissimi istanti dopo il Big Bang e potrebbero aver contribuito a formare ciò che oggi conosciamo come materia oscura.
Anche se non interagiscono direttamente con la materia visibile o con la radiazione elettromagnetica, gli axioni potrebbero influenzare il comportamento gravitazionale delle galassie e dei gruppi galattici, spiegando perché queste strutture cosmiche siano mantenute unite.
L’esperimento ADBC: una nuova frontiera nella ricerca
L’Axion Dark-Matter Birefringent Cavity (ADBC) rappresenta un esperimento pionieristico progettato per rilevare axioni utilizzando una cavità ottica sensibile a una proprietà speciale chiamata birifrangenza. Questo fenomeno descrive come alcuni materiali dividano un’onda di luce in due componenti che viaggiano a velocità diverse. Se gli axioni esistono, potrebbero causare una leggera variazione nella velocità delle onde di luce polarizzate all’interno della cavità ottica, generando così un segnale rilevabile.
L’esperimento utilizza una cavità di tipo “bow-tie” (a farfallino) e un laser di 1064 nm, permettendo ai ricercatori di sintonizzare la cavità per esplorare diverse masse di axioni. I primi risultati dell’ADBC hanno coperto un intervallo di masse di axioni sorprendentemente piccole, tra 40.9 e 56.7 neV/c², senza però rilevare segnali conclusivi.
Tuttavia, questo esperimento rappresenta un passo significativo nel campo, poiché è la prima volta che si utilizza una cavità ottica sintonizzabile e limitata dal rumore quantistico per cercare axioni in questo intervallo di masse. Per contestualizzare, la massa che si può misurare è circa 10 miliardi di volte inferiore a quella di un elettrone.
Risultati e prospettive future
I risultati dell’esperimento ADBC non hanno fornito rilevazioni dirette di axioni, ma hanno permesso ai ricercatori di stabilire limiti superiori sulle potenziali interazioni tra gli axioni e i fotoni. Il team di ricerca intende migliorare l’esperimento in versioni future.
Tra le migliorie proposte ci sono l’aumento della potenza intracavitaria, la costruzione di cavità più lunghe e la riduzione della trasmissione degli specchi per incrementare la sensibilità. Inoltre, è previsto l’adeguamento automatico della cavità, che consentirebbe uno scanning più fluido e continuo delle masse di axioni.
Un’altra opzione che il team sta considerando è l’uso di contatori di fotoni singoli al posto della lettura eterodina attualmente in uso. Questo approccio, se attuato con successo, potrebbe migliorare ulteriormente la sensibilità dell’esperimento, consentendo di rilevare anche segnali estremamente deboli generati dagli axioni. Sebbene queste tecniche siano ancora in fase di sviluppo, le proiezioni suggeriscono che potrebbero consentire significativi progressi nella ricerca degli axioni.
La birifrangenza: una proprietà sorprendente
La birifrangenza è un fenomeno ottico che si verifica quando un materiale sembra presentare due indici di rifrazione differenti per due polarizzazioni della luce che lo attraversano. Questo porta alla suddivisione di un raggio di luce in due raggi, ognuno con una velocità diversa all’interno del materiale. Questo fenomeno, descritto per la prima volta nel XVII secolo dal danese Rasmus Bartholin mentre studiava il calcite islandese, è utilizzato per dimostrare e studiare la luce polarizzata.
Il calcite islandese è un tipo di carbonato di calcio noto per le sue forti proprietà birifrangenti, rendendolo ideale per l’osservazione della doppia rifrazione. Grazie alla sua trasparenza e alle sue caratteristiche ottiche, il calcite islandese è stato storicamente impiegato in strumenti ottici come i polariscopi.
La birifrangenza ha importanti applicazioni in vari campi scientifici, in particolare in ottica e fisica. Nel contesto della ricerca sugli axioni, come evidenziato dall’esperimento ADBC, essa gioca un ruolo fondamentale. Gli axioni potrebbero generare piccole differenze nella velocità della luce polarizzata, creando un effetto birifrangente. Lo studio di questo fenomeno in cavità ottiche potrebbe fornire indizi cruciali sulla presenza di queste particelle ipotetiche, rendendo la birifrangenza uno strumento chiave nella caccia alla materia oscura.