Nuove simulazioni ridefiniscono la massa di queste misteriose particelle, rinvigorendo la ricerca della materia più diffusa dell’universo ma che ancora non vediamo‎.

 

 

 

‎I fisici alla ricerca – senza successo – del candidato più favorito oggi per la materia oscura, l’assione, hanno cercato nel posto sbagliato, secondo una nuova simulazione per supercomputer di come gli assioni sono stati prodotti poco dopo il Big Bang 13,8 miliardi di anni fa.‎

Gli assioni sono particelle, per ora solo ipotizzate e mai individuate sperimentalmente, che potrebbero essere i candidati a mattoni della materia oscura, che costituisce circa il 25% di tutta la massa dell’universo e che non è stata mai osservata direttamente (da qui il soprannome) ma solo tramite gli effetti gravitazionali che induce sugli ammassi di galassie e sulle stelle alla periferia delle stesse.

‎Utilizzando nuove tecniche di calcolo e uno dei più grandi computer del mondo, ‎‎Benjamin Safdi‎‎, assistente professore di fisica presso l’Università della California, Berkeley, Malte Buschmann, ricercatore associato post-dottorato presso l’Università di Princeton e i colleghi del MIT e del Lawrence Berkeley National Laboratory hanno simulato l’era in cui sarebbero stati prodotti gli assioni, circa un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo dopo la nascita l’universo.‎

‎La simulazione al National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) del Berkeley Lab ha rilevato che la massa dell’assione è più del doppio di quanto i teorici e gli sperimentatori abbiano pensato: tra 40 e 180 microelettroni volt (micro-eV, o μeV), o circa un 10 miliardesimo della massa dell’elettrone. Ci sono indicazioni, ha detto Safdi, che la massa è vicina a 65 μeV. Da quando i fisici hanno iniziato a cercare l’assione 40 anni fa, le stime della massa hanno oscillato ampiamente, da pochi μeV a 500 μeV.‎ Il lavoro è stato pubblicato il 25 febbraio sulla rivista ‎‎Nature Communications‎‎.‎

‎”Forniamo un miglioramento di oltre mille volte nella gamma dinamica delle nostre simulazioni di assioni rispetto al lavoro precedente e chiariamo una domanda vecchia di 40 anni riguardante la massa degli assioni e la cosmologia”, ha detto Safdi.‎

‎La definizione più precisa della massa significa che il tipo più comune di esperimento per rilevare queste particelle sfuggenti – una camera di risonanza a microonde contenente un forte campo magnetico, in cui gli scienziati sperano di catturare la conversione di un assione in una debole onda elettromagnetica – non sarà in grado di rilevarle, non importa quanto l’esperimento sia ottimizzato.

La camera dovrebbe essere più piccola di pochi centimetri su un lato per rilevare l’onda ad alta frequenza da un assione di massa più elevata, ha detto Safdi, e quel volume sarebbe troppo piccolo per catturare abbastanza assioni perché il segnale salga al di sopra del rumore.‎

‎”Il nostro lavoro fornisce la stima più precisa fino ad oggi della massa dell’assione e indica una gamma specifica di masse che non è attualmente in fase di esplorazione in laboratorio”, ha detto. “Penso davvero che abbia senso concentrare gli sforzi sperimentali su masse da 40 a 180 μeV, ma c’è molto lavoro da preparare”.‎

‎Un nuovo tipo di esperimento, che cerca in un plasma a stato solido, dovrebbe essere sensibile a una particella assionale di questa massa e potrebbe potenzialmente rilevarne una.‎

‎”Gli studi di base di questi esperimenti hanno funzionato incredibilmente bene, molto meglio di quanto ci aspettassimo”, ha detto ‎‎Karl van Bibber‎‎, professore di ingegneria nucleare alla UC Berkeley che sta costruendo un prototipo, mentre partecipa anche a una ricerca di assioni a cavità a microonde chiamata ‎‎esperimento HAYSTAC‎‎ . “L’ultimo risultato di Ben è molto eccitante. Se lo scenario post-inflazione è giusto, dopo quattro decenni, la scoperta dell’assione potrebbe essere notevolmente accelerata”.‎ ‎Se gli assioni esistono davvero.‎

‎‎Ad oggi, le ricerche sulla materia oscura si sono concentrate su oggetti massicci compatti nell’alone della nostra galassia (chiamati oggetti halo compatti massicci o MACHO), particelle massicce debolmente interagenti (WIMP) e persino buchi neri invisibili. Nessuno ha dato risultati.‎

‎”La materia oscura è la maggior parte della materia nell’universo, e non abbiamo idea di cosa sia” dice Safdi. “Sospettiamo che sia una nuova particella che non conosciamo, e l’assione potrebbe essere quella particella. Potrebbe essere stato creato in abbondanza nel Big Bang e fluttuare là fuori spiegando le osservazioni che sono state fatte in astrofisica. “‎

‎È stato proposto nel 1978 come una nuova particella elementare che potrebbe spiegare perché lo spin del neutrone non precede o oscilla in un campo elettrico. L’assione, secondo la teoria, sopprime questa precessione nel neutrone.‎

‎”Ancora oggi, l’assione è la migliore idea che abbiamo su come spiegare queste strane osservazioni sul neutrone”, ha detto Safdi.‎

‎Nel 1980, l’assione cominciò ad essere visto anche come un candidato per la materia oscura, e furono lanciati i primi tentativi di rilevare gli assioni. Utilizzando le equazioni della ben collaudata teoria delle interazioni fondamentali delle particelle, il cosiddetto Modello Standard, oltre alla teoria del Big Bang, il Modello Cosmologico Standard, è possibile calcolare la massa precisa dell’assione, ma le equazioni sono così difficili che ad oggi abbiamo solo stime, che sono variate immensamente.

Poiché la massa è conosciuta in modo così impreciso, le ricerche che impiegano cavità a microonde – essenzialmente ricevitori radio – devono sintonizzarsi attraverso milioni di canali di frequenza per cercare di trovare quello corrispondente alla massa dell’assione.‎

‎La simulazione di Safdi ha impiegato 69.632 CPU  di elaborazione del supercomputer Cori con quasi 100 terabyte di RAM) e ha mostrato che dopo l’epoca inflazionistica si formano nell’universo primordiale piccoli tornado, o vortic che spargono assioni.‎

‎‎Il team sta lavorando con un nuovo cluster di supercalcolo ora in costruzione presso il Berkeley Lab che consentirà simulazioni che forniranno una massa ancora più precisa. Chiamato ‎‎Perlmutter‎‎, dal nome di Saul Perlmutter, un fisico della UC Berkeley che ha vinto il premio Nobel per la fisica nel 2011 per aver scoperto l’espansione accelerata dell’universo guidata dalla cosiddetta energia oscura, il supercomputer di prossima generazione quadruplicherà la potenza di calcolo del NERSC.‎

‎‎‎Una volta che le simulazioni daranno una massa ancora più precisa, l’assione può, infatti, essere facile da trovare.‎

Crediti: Malte Buschmann, Princeton University

 

 

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