Non possiamo vedere la materia oscura, ma sappiamo che presumibilmente c’è. Nel corso degli anni sono state proposte diverse spiegazioni per questa “materia oscura”, dalle particelle sconosciute ai buchi neri. Un’idea in particolare, tuttavia, sta attirando una rinnovata attenzione: l’assione. E i ricercatori si stanno rivolgendo ai cieli per rintracciarlo.

Cosa sono gli assioni

Gli assioni sono ipotetiche particelle leggere la cui esistenza risolverebbe due grandi problemi. Il primo, discusso dagli anni Sessanta del secolo scorso, è il problema della parità di carica forte (CP), necessaria affinché i quark e i gluoni che compongono i protoni e i neutroni obbediscano a una certa simmetria.

La seconda è la materia oscura. Gli assioni si raggrupperebbero esattamente nel modo in cui ci aspettiamo che faccia la materia oscura, e hanno le proprietà giuste per spiegare perché sono così difficili da trovare, vale a dire, sono estremamente leggeri e riluttanti a interagire con la materia normale.

Assioni nelle stelle di neutroni

All’inizio di quest’anno, un gruppo di scienziati ha riferito di aver individuato prove di assioni prodotti da stelle di neutroni: stelle collassate così dense che un minuscolo campione poco più grande di un granello di sabbia peserebbe quanto una portaerei. 

Sin dagli anni Ottanta, i fisici hanno pensato che se gli assioni esistono, dovrebbero essere prodotti all’interno dei nuclei caldi delle stelle di neutroni, dove neutroni e protoni si scontrano ad alte energie.

Gli assioni dovrebbero essere miliardi di volte meno massicci degli elettroni, quindi sarebbero in grado di sfuggire alle viscere di una densa stella di neutroni nello spazio. Qui incontrerebbero il campo magnetico estremamente forte della stella di neutroni. 

In presenza di un campo magnetico così forte, si prevede che gli assioni si trasformino in normali fotoni o particelle di luce.  Gli assioni attraversano il campo magnetico della stella di neutroni verrebbero trasformati in fotoni a raggi X.

Come scoprire gli assioni

Tuttavia gli sono difficili da individuare. Le stelle di neutroni più conosciute sono pulsar in rapida rotazione, che rilasciano comunque abbondanti quantità di raggi X, senza bisogno di assioni. 

Ecco perché la nuova ricerca si è concentrata su un gruppo di sette stelle di neutroni nella nostra galassia conosciuti come i “magnifici sette”, così chiamati perché sono le uniche stelle di neutroni conosciute a non ruotare rapidamente. 

In uno studio, pubblicato su Physical Review Letters , alcuni ricercatori suggeriscono che tutte queste stelle di neutroni tranne una mostrano un eccesso di raggi X di energia superiore che “potrebbe essere spiegato dall’esistenza degli assioni”. Il team non rivendica una scoperta definitiva, ma piuttosto evidenzia la discrepanza per ulteriori indagini.

Tuttavia, il problema di cercare nello spazio prove di scoperte rivoluzionarie è che, a differenza di un laboratorio ultra-pulito sulla Terra, lo spazio pullula di cose in corso. Potremmo semplicemente osservare qualche altro processo astrofisico, non correlato agli assioni, o il segnale di raggi X in eccesso potrebbe non essere affatto presente. 

Bisogna quindi indagare ulteriormente la questione con strumenti aggiuntivi, come il telescopio a raggi X NuSTAR della NASA, che può osservare raggi X di energia più elevata di quanto possano vedere altri telescopi spaziali. 

Altri metodi di ricerca

Altre ricerche di assioni usano il nostro sole, che dovrebbe produrre assioni al suo interno che poi fluiscono nello spazio. Un esperimento di lunga durata al CERN in Svizzera chiamato CERN Axion Solar Telescope (CAST) punta verso il Sole un magnete superconduttore lungo 10 metri. Il magnete trasformerebbe tutti gli assioni in arrivo in fotoni a raggi X, che verrebbero quindi raccolti da un rilevatore posto all’estremità posteriore del magnete.

CAST non ha ancora trovato assioni, ma i suoi risultati, come quelli di altre ricerche in corso, forniscono utili vincoli sulle caratteristiche degli assioni. Sono iniziati i lavori sui successori di CAST, che utilizzeranno magneti più grandi e potenti. 

Entro il 2024, il Baby International Axion Observatory (BabyIAXO) sarà attivato presso un centro di accelerazione tedesco chiamato DESY. Sarà 100 volte più sensibile di CAST.

Metodi di ricerca indiretta

I ricercatori stanno anche esplorando modi indiretti per individuare l’influenza degli assioni nello spazio. Alcune nane bianche – i nuclei rimanenti di stelle come il nostro sole che hanno esaurito il loro carburante – sembrano raffreddarsi più velocemente del previsto.

Una possibilità potrebbe essere che gli assioni stiano scappando dalle stelle morte, portando con sé energia. Il rapido raffreddamento è esattamente quello che ci si aspetterebbe se ci fossero assioni che drenano energia da questa stella.

Anche i buchi neri sono ipotizzati come laboratori per sondare l’esistenza degli assioni, cercando i segni di un processo chiamato superradianza, un fenomeno in cui le particelle leggere, come gli assioni, potrebbero rallentare lo spin di un buco nero ovunque dal 10% al 90% facendogli perdere energia e momento angolare. 

Poiché gli assioni o altre particelle simili alla materia oscura interagiscono così debolmente, per scoprirli è tuttavia necessario che da qualche parte ne esista un gran numero. Un’idea è addirittura quella di sfruttare l’intero universo come rivelatore.

*quantamagazine.com/O’Callaghan