La materia oscura sembra non emettere radiazione elettromagnetica, cioè non interagisce con la luce o altro tipo di materia ma sarebbe rilevabile in modo indiretto, attraverso i suoi effetti gravitazionali.
Diversi esperimenti, nel corso degli anni, hanno cercato di svelarne la vera natura senza successo ma, ora, una nuova proposta arriva dall'Università di Yale negli Stati Uniti.


Il problema del neutrone

Orami è chiaro che il modello standard della fisica delle particelle è incompleto e che là fuori ci sono nuove particelle fondamentali ancora da scoprire.
Prendiamo ad esempio il neutrone che costituisce il nucleo atomico insieme al protone. Nonostante sia una particella subatomica complessivamente neutra, la teoria afferma che è composto da tre particelle cariche chiamate quark. Due hanno carica negativa e uno positiva: la loro "somma" è neutra ma è possibile che siano distribuite in modo da formare un dipolo elettrico. I fisici hanno provato per anni a misurarlo ma la conclusione è sempre stata la stessa: è troppo piccolo per essere rilevato. La colpa non è della strumentazione ma semplicemente che stiamo parlando di qualcosa di infinitesimale, inferiore a una parte su 10 miliardi, un valore praticamente nullo.

In fisica, tuttavia, lo zero matematico è sempre un’affermazione forte. Alla fine degli anni ’70 del secolo scorso, i fisici delle particelle Roberto Peccei e Helen Quinn (e più tardi, Frank Wilczek e Steven Weinberg) cercarono di conciliare teoria e prove, per spiegare il mancato riscontro sperimentale della violazione della simmetria CP prevista dalla cromodinamica quantistica. Ciò portò all'introduzione dell'assione, un'ipotetica particella elementare per spiegare perché le cariche elettriche si distribuiscono omogeneamente all’interno di un neutrone e non formano un dipolo elettrico, come accade per esempio in una molecola d’acqua.

L'assione sarebbe una delle tante altre particelle leggere, difficili da prevedere e rilevare, prodotte dal Big Bang.
Se gli assioni furono creati nell'universo primordiale, allora sono ancora in giro per il cosmo. Sono anche diventati anche una delle particelle candidate preferite per la materia oscura perché le loro proprietà soddisfano tutte le aspettative previste per questo tipo di sostanza misteriosa.

Prima di tutto, interagirebbero solo debolmente con altre particelle (ma interagiscono comunque un po’). Sono invisibili e potrebbero persino trasformarsi in particelle ordinarie, per ironia della sorte, anche in fotoni, l’essenza stessa della luce. Ciò può accadere in circostanze particolari, come in presenza di un campo magnetico. E questo è davvero un gran presupposto per i fisici sperimentali.


Il nuovo esperimento

Molti esperimenti cercano di evocare “l'assione invisibile” nell'ambiente controllato di un laboratorio. Alcuni mirano a convertire la luce in assioni, per esempio, e poi gli assioni nuovamente in luce.

Al momento, l’approccio più sensibile prende di mira l’alone di materia oscura che permea la Via Lattea (e di conseguenza la Terra) con un dispositivo chiamato aloscopio. Si tratta di una cavità conduttiva immersa in un forte campo magnetico: la prima cattura la materia oscura che ci circonda (assumendo si tratti di assioni), mentre il secondo ne induce la conversione in luce. Il risultato è un segnale elettromagnetico che appare all'interno della cavità, oscillante con una frequenza caratteristica dipendente dalla massa dell'assione.

Il sistema funziona come una sorta di antenna ricevente: ha bisogno di essere regolato adeguatamente per intercettare la frequenza di interesse.
In pratica, le dimensioni della cavità vengono modificate per accogliere frequenze caratteristiche diverse. Se le frequenze dell'assione e della cavità non corrispondono, è come sintonizzare una radio sul canale sbagliato.

Sfortunatamente, il canale che stiamo cercando non può essere previsto in anticipo e quindi l'unica possibilità è scansionare tutte le frequenze potenziali. È come scegliere una stazione radio in un mare di rumore bianco con una vecchia radio che deve essere più grande o più piccola ogni volta che giriamo la manopola della frequenza.

Tuttavia, queste non sono le uniche sfide. La cosmologia indica le decine di gigaHertz come l'ultima e promettente frontiera per la ricerca sugli assioni. Poiché le frequenze più alte richiedono cavità più piccole, l’esplorazione di quella regione richiederebbe cavità troppo piccole per catturare una quantità significativa di segnale.

Il nuovo esperimento Axion Longitudinal Plasma Haloscope (Alpha) utilizza un concetto diverso di cavità basato su metamateriali.
"I metamateriali sono materiali compositi con proprietà globali che differiscono dai loro costituenti: sono più della somma delle loro parti. Una cavità piena di bacchette conduttrici acquisisce una frequenza caratteristica come se fosse un milione di volte più piccola, pur modificando appena il suo volume. Questo è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno. Inoltre, le aste forniscono un sistema di accordatura integrato e facile da regolare", spiega il team.
"Attualmente stiamo costruendo l’impianto, che sarà pronto per acquisire dati tra qualche anno. La tecnologia è promettente. Il suo sviluppo è il risultato della collaborazione tra fisici dello stato solido, ingegneri elettrici, fisici delle particelle e persino matematici".