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Trova la materia oscura a Jülich

13 luglio 2023

Per la prima volta, gli scienziati hanno applicato un nuovo metodo promettente per la ricerca di particelle di materia oscura in un acceleratore di particelle. Il metodo utilizzato dai ricercatori nella collaborazione internazionale JEDI si basa sull’osservazione della polarizzazione di spin del fascio di particelle nell’anello di accumulazione COZY Golish. Hanno pubblicato oggi le loro scoperte sulla rinomata rivista Physical Review X.

Circa l’80% della materia nell’universo è costituito da materia sconosciuta e invisibile. Questa “materia oscura” era già stata postulata circa 90 anni fa. “Questo era l’unico modo per conciliare la distribuzione della velocità della materia visibile all’interno delle galassie con le conoscenze esistenti”, spiega Jörg Pritz, uno dei coautori dello studio, che è anche vicedirettore dell’Istituto di fisica nucleare al Forschungszentrum Jülich e professore presso Università RWTH di Aquisgrana. . “La forma ‘oscura’ della materia, che non è stata osservata prima, dovrebbe agire in aggiunta per stabilizzare le galassie.”

I fisici hanno studiato questo problema sin dagli anni ’30. Non mancano le teorie nella scienza, ma nessuno è ancora riuscito a rilevare effettivamente la materia oscura. “Questo perché la natura della materia oscura non è ancora del tutto chiara”, ha affermato il dott. Volker Heegne, anche lui dell’Istituto Jülich di fisica nucleare e, come il suo collega Jörg Pritz, membro della collaborazione internazionale JEDI che ha condotto l’esperimento. JEDI sta per Jülich Electric Dipole Mom Investments e gli scienziati coinvolti nella collaborazione hanno lavorato per misurare i momenti di dipolo delle particelle cariche dal 2011. “La materia oscura è invisibile e finora si è rivelata solo indirettamente attraverso la sua gravità. L’effetto è relativamente piccolo, motivo per cui diventa evidente solo nel caso di ammassi molto grandi, come intere galassie.”

Il Coma Cluster, qui in un’immagine presa dal radiotelescopio europeo LOFAR, si trova a 300 milioni di anni luce dalla Terra ed è composto da più di 1.000 galassie. Uno studio dell’ammasso negli anni ’30 ha fornito la prima prova della materia oscura.
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– Annalisa Bonafide

I fisici teorici hanno già proposto una serie di ipotetiche particelle elementari di cui potrebbe essere composta la materia oscura. A seconda delle proprietà di queste particelle, è possibile utilizzare diversi metodi per rilevarle, modi che non richiedono il rilevamento eccessivamente complesso degli effetti gravitazionali. Questi metodi includono assioni e particelle simili agli assoni. “In origine, gli assioni avevano lo scopo di risolvere un problema nella teoria dell’interazione forte della cromodinamica quantistica”, spiega Britz. “Il nome assione può essere fatto risalire al premio Nobel per la fisica, Frank Wilczek, e si riferisce a una specie di pulitore: la presenza di particelle avrebbe dovuto ‘ripulire’ la teoria della fisica, per così dire”.

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Per scoprire gli assioni, gli scienziati della collaborazione JEDI hanno utilizzato i rotoli di particelle. “Lo spin è una proprietà unica della meccanica quantistica che fa sì che le particelle si comportino come piccoli magneti a barra”, spiega Hegney. “Questa proprietà viene utilizzata, ad esempio, nella risonanza magnetica per immagini mediche, o MRI in breve. Come parte di questo processo, la rotazione dei nuclei atomici è stimolata da forti campi magnetici esterni”.

Nel loro esperimento, gli scienziati JEDI hanno utilizzato una caratteristica speciale dell'acceleratore di particelle COZY Goulich, ovvero l'uso di raggi polarizzati.
Nel loro esperimento, gli scienziati JEDI hanno utilizzato una caratteristica speciale dell’acceleratore di particelle COSY Jülish: l’uso di raggi polarizzati.
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Centro di ricerca Jülich / Ralf Uwe Limbach

La tecnologia MRI viene utilizzata anche per cercare la materia oscura. Mentre in una normale risonanza magnetica gli atomi sono a riposo, nell’acceleratore le particelle si muovono quasi alla velocità della luce. Ciò rende gli esami in alcune aree più sensibili e le misurazioni più accurate.

Nel loro esperimento, gli scienziati JEDI hanno utilizzato una caratteristica speciale dell’acceleratore di particelle COZY Goulich, ovvero l’uso di raggi polarizzati. “In un raggio di particelle convenzionale, le particelle rotolano in direzioni casuali”, afferma Pritz. “In un raggio di particelle polarizzate, tuttavia, gli spin sono allineati in una direzione”. Ci sono solo pochi acceleratori in tutto il mondo che hanno questa capacità.

Se fossimo circondati, come sospettano gli scienziati, da un campo di fondo di assoni, questo influenzerebbe il movimento degli spin – e quindi alla fine potrebbe essere rilevato nell’esperimento. Tuttavia, l’effetto atteso è piccolo. Le misure non sono abbastanza accurate. Tuttavia, sebbene l’esperimento JEDI non abbia ancora trovato prove di particelle di materia oscura, i ricercatori sono stati in grado di restringere il potenziale effetto di interazione. E forse la cosa più importante è che hanno creato un nuovo metodo promettente per la ricerca della materia oscura.

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Pubblicazione originale: prima indagine su molecole simili ad assoni in un circuito di stoccaggio utilizzando il raggio di deuterone polarizzato, S. Karanth et al. (Collaborazione JEDI), Fis. rev. X 13, 031004 – Pubblicato il 12 luglio 2023 , DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031004

referente

  • Istituto di fisica nucleare (IKP)
  • Dinamica sperimentale degli adroni (IKP-2)
  • Istituto di fisica nucleare (IKP)
  • Dinamica sperimentale degli adroni (IKP-2)

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Orsina Fiorentini
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