Sulle tracce della materia oscura grazie allo spinning dei neutroni

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Parte dell’attrezzatura sperimentale del laboratorio di Berna con il dottoParte dell’attrezzatura sperimentale del laboratorio di Berna con il dottorando Ivo Schulthess. @ mad

Un team di ricerca internazionale è riuscito a migliorare significativamente le nostre conoscenze sulla materia oscura grazie a un esperimento di precisione sviluppato all’Università di Berna. Realizzato presso la Sorgente europea di neutroni per la ricerca dell’Institut Laue-Langevin in Francia, l’esperimento fornisce un importante contributo alla ricerca di queste particelle di materia ancora sconosciute.

Le osservazioni cosmologiche delle traiettorie di stelle e galassie consentono di trarre conclusioni inequivocabili sulle forze di interazione gravitazionale che agiscono tra i corpi celesti. La scoperta sorprendente è che la materia visibile è tutt’altro che sufficiente a spiegare lo sviluppo e i movimenti delle galassie. Questo suggerisce che esiste un’altra forma di materia, finora sconosciuta. Già nel 1933, il fisico e astronomo svizzero Fritz Zwicky postulò l’esistenza di quella che oggi viene chiamata materia oscura. La materia oscura è una presunta forma di materia non direttamente visibile, ma che interagisce con la gravità e ha una massa circa cinque volte superiore alla materia che conosciamo.Grazie a un esperimento di precisione sviluppato dal Centro Albert Einstein per la Fisica Fondamentale (AEC) dell’Università di Berna, un team di ricerca internazionale ha migliorato notevolmente le nostre conoscenze sulla materia oscura. L’AEC, con oltre 100 membri, è uno dei maggiori istituti di ricerca al mondo nel campo della fisica delle particelle. I risultati del team guidato da Berna sono stati appena pubblicati sulla famosa rivista Physical Review Letters.

Il mistero della materia oscura

Cosa costituisca la materia oscura non è ancora del tutto chiaro", spiega Ivo Schulthess, dottorando presso l’AEC e autore principale dello studio. Ma ciò che è certo è che non è composto dalle stesse particelle che compongono le stelle, la nostra Terra o noi stessi. In tutto il mondo si stanno conducendo esperimenti e metodi sempre più sensibili per cercare eventuali particelle di materia oscura, finora senza successo.

Alcune ipotetiche particelle elementari chiamate assioni costituiscono una promettente classe di candidati alla materia oscura. Un importante vantaggio di queste particelle di massa molto bassa è che potrebbero spiegare contemporaneamente altri importanti fenomeni della fisica delle particelle che non sono ancora stati compresi.

L’esperimento bernese fa luce sull’oscurità

Grazie a molti anni di esperienza, il nostro team è riuscito a progettare e costruire un dispositivo di misura estremamente sensibile: l’esperimento Beam EDM", spiega Florian Piegsa, professore di Fisica delle basse energie e di precisione presso l’AEC, che nel 2016 è stato premiato con una delle prestigiose sovvenzioni ERC Starting Grants del Consiglio europeo della ricerca per la sua ricerca sui neutroni. Se gli elusivi assioni esistono davvero, dovrebbero lasciare una firma caratteristica nel dispositivo di misurazione bernese.

Il nostro esperimento permette di determinare la frequenza di rotazione degli spin dei neutroni che si muovono in una sovrapposizione di campi elettrici e magnetici", spiega. Lo spin di ogni neutrone è una specie di ago di bussola che ruota come la lancetta di un orologio grazie al campo magnetico, ma quasi 400 000 volte più velocemente. Abbiamo misurato questa frequenza di spin in modo preciso e continuo e poi abbiamo analizzato le più piccole fluttuazioni periodiche che sarebbero state causate dall’interazione con gli assioni", spiega Piegsa. I risultati dell’esperimento sono stati inequivocabili: "La frequenza di rotazione dei neutroni è rimasta invariata, il che significa che non c’è alcuna indicazione di assioni nella nostra misurazione", ha continuato Piegsa.

Spazio dei parametri limitato con successo

Queste misure, effettuate in collaborazione con un gruppo di ricerca francese presso la Sorgente di neutroni di ricerca europea dell’Institut Laue-Langevin, hanno permesso di escludere sperimentalmente uno spazio parametrico degli assioni finora inesplorato. L’esperimento ha permesso di cercare ipotetici assioni più pesanti di oltre 1.000 volte rispetto a quanto era stato possibile in precedenza con altri esperimenti (vedi , solo in tedesco).

Anche se l’esistenza di queste particelle rimane misteriosa, siamo riusciti a escludere un ampio spazio dei parametri della materia oscura", riassume Schulthess. Gli esperimenti futuri possono ora basarsi su questo lavoro. La risposta definitiva alla domanda sulla materia oscura non solo ci darebbe una visione significativa dei fondamenti della natura, ma rappresenterebbe anche un passo importante verso una comprensione completa dell’Universo", ha continuato Piegsa.

L’esperimento è stato finanziato dal Consiglio europeo della ricerca e dal Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica.