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Mercoledì, Luglio 28, 2021
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La speranza degli scienziati nella ricerca del fotone oscuro

Nei tunnel sotterranei della Thomas Jefferson National Accelerator Facility di Newport News, in Virginia, un fascio di elettroni viaggia in un acceleratore di particelle. Le energie degli elettroni sono modeste, ma il fascio è fortemente impacchettato, in effetti c'è bisogno di un fascio molto luminoso per rilevare un fotone che non splende.

In un esperimento della durata di tre settimane il cui inizio è previsto per il 24 aprile, gli elettroni si scontreranno con un sottile bersaglio di tungsteno 500 volte al secondo, generando una pioggia di particelle con vita media estremamente breve. Dai quei frammenti, i fisici sperano di trovare, grazie all'Heavy Photon Search (HPS), i segni di qualcosa di eccezionalmente raro: un fotone “pesante” od “oscuro”.

La scoperta aprirebbe la strada a un mondo sconosciuto di forze oscure e di atomi oscuri su cui i fisici teorici hanno a lungo speculato e potrebbe permettere di individuare la materia oscura che si ritiene costituire l'85 per cento della materia presente nell'universo.

I ricercatori dell'HPS al Jefferson Lab sono pronti ad ammettere che l'esperimento, come altri due del laboratorio che indagano questo "settore oscuro", molto probabilmente non raggiungerà alcun risultato di rilievo. Ma l'investimento fatto per questi progetti – circa tre milioni di dollari per costruire e usare il rivelatore HPS – ha spinto molti fisici a fare un tentativo.

“In fisica, è sempre importante chiedersi se esistano forze ancora più fondamentali”, ha spiegato il fisico John Jaros, uno dei coordinatori dell'esperimento HPS.

A differenza dei fotoni normali, il fotone oscuro sarebbe dotato di massa e sarebbe rilevabile solo per via indiretta, dopo che i fotoni oscuri sono decaduti in elettroni e positroni (le antiparticelle degli elettroni). Come il fotone normale, che media l'interazione elettromagnetica, quello oscuro medierebbe una nuova forza fondamentale che si aggiungerebbe alle quattro che già conosciamo. Sarebbe il primo segno di un mondo nascosto, che potrebbe includere un intero “zoo” di nuove particelle, inclusa la materia oscura. “Sarebbe come vedere per la prima volta i satelliti di Giove come ha fatto Galileo”, ha commentato Nima Arkani-Hamed, fisico teorico dell'Institute for Advanced Study di Princeton, nel New Jersey.

I fisici teorici speravano che il Large Hadron Collider, il più potente (e costoso) acceleratore del mondo, costruito al CERN di Ginevra, potesse aprire la strada a nuovi concetti, come la supersimmetria, un insieme di teorie che risolverebbero alcuni problemi del modello standard della fisica delle particelle. Ma l'LHC finora non ha fornito indizi, come per esempio le particelle di materia oscura previste dal alcuni modelli della supersimmetria.

I risultati sono stati abbastanza deludenti", ha spiegato Philip Schuster, fisico teorico del Canada’s Perimeter Institute for Theoretical Physics di Waterloo, in Ontario. “Così si stanno verificando altre possibilità”.

Così, alcuni fisici volgono la loro attenzione alla "frontiera dell'intensità”, producendo molte collisioni e andando alla ricerca di eventi rari nei prodotti di collisione. I fasci elettronici del Jefferson Lab non sono i più potenti ma sono estremamente intensi.


L'idea di un settore oscuro fu proposto per la prima volta nel 1986 (B. Holdom Phys. Lett. B 166,196–198; 1986), ma è rimasto in gran parte inesplorato fino a quando, pochi anni fa, un gruppo di fisici teorici tra cui Arkani-Hamed ha ripreso la teoria (N. Arkani-Hamed et al. Phys. Rev. D 79, 015014; 2009). Il suo gruppo ha sviluppato l'idea alla luce dei risultati di una missione satellitare del 2006 chiamata PAMELA (Payload for Antimatter Matter Exploration and Light-nuclei Astrophysics), che ha rilevato un misterioso eccesso di positroni nello spazio.

I fisici teorici ipotizzano che questo eccesso possa essere il prodotto di particelle di materia oscura che si annichilano mutuamente. Ma anche le particelle pesanti di cui è stata ipotizzata l'esistenza (le cosiddette weakly interacting massive particles, WIMP) dovrebbero decadere in protoni e antiprotoni, che non sono stati osservati da PAMELA. Una particella di materia oscura - o anche di materia "ancora più oscura” come dice Arkani-Hamed — verrebbe osservata solo attraverso un decadimento che coinvolge il
mediatore della forza, il fotone, che produrrebbe positroni ma non antiprotoni.

Un'altra motivazione deriva da un affascinante risultato riportato nel 2004 dai fisici del Brookhaven National Laboratory di Upton, nello Stato di New York. I ricercatori avevano trovato che il momento magnetico creato dallo spin e dalla carica del muone, una particella a vita breve simile all'elettrone, non era in accordo con le previsioni del modello standard. Questa anomalia di spin del muone, chiamata fattore g-2, potrebbe essere corretta da una forza del settore oscuro, ha commentato Arkani-Hamed, il quale inoltre sottolinea che l'idea non sia così folle come potrebbe sembrare. “
Dal punto di vista teorico, l'intero impianto è abbastanza convenzionale e conservativo”, ha sottolineato.

Le previsioni possono essere verificate in modo economico e relativamente veloce. Il fascio principale del Jefferson Lab da sei gigaelettronvolt ha l'energia giusta per testare l'intervallo di energia più probabile per i fotoni pesanti.

Dopo i test di funzionamento di tre settimane, il fascio verrà spento per un aggiornamento che ne raddoppierà l'energia. Ciò permetterà all'HPS e a un altro progetto, l'A Prime EXperiment (APEX), di esplorare altre parti del settore oscuro nel 2015. Un terza proposta, chiamata DarkLight, utilizzerebbe un fascio che guida il laser a elettroni liberi per andare alla ricerca di fotoni pesanti a energie più basse.

Arkani-Hamed spiega che non sarebbe sorpreso se il cammino futuro della fisica delle particelle emergesse da esperimenti modesti come quello del Jefferson Lab, invece che da quelli del CERN. “Questi esperimenti a bassa energia, più piccoli, economici ma innovativi potrebbero effettivamente fornire le prove di una nuova fisica prima dei 'grandi mostri'”


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