Inizia la caccia agli assioni

L’Axion Dark Matter Experiment ha raggiunto la sensibilità necessaria a rilevare il decadimento delle particelle ipotetiche chiamate assioni: la caccia può avere inizio

I fisici dell'Università di Washington Leslie Rosenberg (a destra) e Gray Rybka esaminano l’apparato sperimentale Asion Dark Matter Experiment.. Crediti: Mary Levin/University of Washington

I fisici dell'Università di Washington Leslie Rosenberg (a destra) e Gray Rybka esaminano l’apparato sperimentale Asion Dark Matter Experiment.. Crediti: Mary Levin/University of Washington

Elisa Nichelli 10 aprile 2018

Dopo 30 anni di ricerche il risultato tanto atteso è arrivato: l’Axion Dark Matter Experiment (ADMX) è il primo esperimento al mondo ad aver raggiunto la sensibilità necessaria a “sentire” la presenza di assioni. L’apparato sperimentale sfrutta degli amplificatori quantistici a basso rumore sviluppati presso l’Università della California a Berkeley, in collaborazione con altre università e istituzioni statunitensi. Il team di ricercatori ha lavorato per circa vent’anni sotto la guida di John Clarke, professore di fisica alla UC di Berkeley e pioniere nello sviluppo di rivelatori magnetici chiamati SQUID, che sta per superconducting quantum interference devices, ovvero dispositivi di interferenza quantistica superconduttori. «ADMX è un macchinario piuttosto complicato e costoso, quindi ci è voluto un po’ di tempo per costruire un rivelatore in grado di funzionare come ci eravamo prefissati», spiega Clarke. I risultati di questo lavoro sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Letters. «Questo risultato segna l’inizio della caccia agli assioni», dice Andrew Sonnenschein del Fermi National Accelerator Laboratory, responsabile delle operazioni per ADMX. «Se gli assioni sono presenti nella banda di frequenze che esamineremo nei prossimi anni, allora è solo una questione di tempo».


La materia oscura rappresenta la componente di materia dominante nell’Universo, e nonostante questo i fisici non sono ancora riusciti a trovare una particella in grado di spiegare il suo comportamento. Gli assioni stanno diventando una delle alternative possibili alle ricerche in questo campo, e la loro esistenza risolverebbe anche altre lacune nel modello standard della fisica delle particelle. L’unico problema, comune a tutti i candidati per la materia oscura, è che gli assioni dovrebbero interagire molto raramente con la materia ordinaria, e quindi risultano difficili da rilevare.


L’esperimento ADMX sfrutta un intenso campo magnetico e un contenitore riflettente per spingere gli assioni a trasformarsi in fotoni. Le frequenze attese sono quelle delle microonde, e gli amplificatori quantici dovrebbero permettere di rilevare il segnale. Un accorgimento importante è quello di minimizzare il rumore dovuto al calore mantenendo l’apparato a temperature molto basse, circa 0.1 gradi Kelvin (-273 gradi Celsius). L’eliminazione del rumore termico ha richiesto molti anni di ricerca, portando alla realizzazione di un apparato sperimentale che ha come unico limite il principio di indeterminazione di Heisenberg, ovvero la fisica stessa del sistema. Grazie alla tecnologia sviluppata, il rumore è stato ridotto di circa un fattore 30.


Il team ADMX ha in programma di sintonizzarsi su milioni di frequenze, nella speranza di sentire forte e chiaro il segnale prodotto dai fotoni generati dal decadimento di assioni. «Questo risultato ci dice che abbiamo la sensibilità giusta e un’ottima occasione per trovare gli assioni», spiega Leslie Rosenberg dell’Università di Washington. «Non è necessaria nessuna nuova tecnologia. Non abbiamo più bisogno di un miracolo, abbiamo solo bisogno di tempo».