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venerdì 10 aprile 2009

Il ritorno degli assioni

Non è il seguito di un film di fanta-horror di anta anni fa, ma il ritorno improvviso di una particella teorica molto particolare. Partiamo dall'inizio:
L'interazione forte, come mostrato da Gerardus 't Hooft, possiede una struttura che, in principio, consente la violazione delle simmetrie CP: coniugazione di carica (scambio tra particella e corrispondente antiparticella) e parità (inversione delle coordinate spaziali). Tale violazione dovrebbe indurre un momento di dipolo elettrico nel neutrone, che però non è stato ancora osservato: ciò vuol dire che l'effetto è estremamente debole o assente. All'interno delle equazioni del Modello Standard, comunque, compare un termine che è responsabile di tale violazione.
Nel 1977 Roberto Peccei e Helen Quinn hanno proposto una soluzione matematicamente più elegante al problema, e che richiama ancora una volta il concetto di rottura di simmetria: l'idea, molto semplice in sé, è quella di trattare il termine di cui sopra come una vera e propria particella, chiamata assione da Frank Wilczek.
L'assione, come la particella predetta da Higgs con un meccanismo che non dovrebbe essere molto differente, è un bosone, ovvero una di quelle particelle messaggero che trasportano le interazioni e le informazioni nell'universo del Modello Standard.
Come per ogni particella teorica prevista, è partita la caccia anche per gli assioni: uno dei primi esperimenti ad interessarsi alla sua ricerca è PVLAS, esperimento ideato nel 1986 da Luciano Maiani, Roberto Petronzio, Emilio Zavattini. Nel 2007, però, Carlo Rizzo e colleghi del CNRS in un articolo caricato su arXiv, No light shining through a wall, asseriscono che le conclusioni dell'esperimento italiano (la massa dell'assione doveva essere intorno a 1-1.5 MeV) erano errate (vedi anche Experimental observation of optical rotation generated in vacuum by a magnetic field). Eppure gli assioni sembrano tornare alla ribalta con alcune recenti evidenze sperimentali.
Il gruppo guidato da Malcolm Fairbairn del King's College di Londra sembra abbia trovato una correlazione tra la distanza dove i raggi cosmici vengono originati e dove fotoni e assioni si mescolano(1). Il risultato, se effettivamente verificato, implica che i raggi cosmici fotonici generati da galassie lontane riescono a raggiungere la Terra trasformandosi temporaneamente in assioni, che riescono ad attraversare le micro-onde che permeano l'universo senza perdere energia.
Secondo Fairbairn, i loro risultati sono la prova definitiva a favore dell'esistenza degli assioni, pur se i loro dati hanno la necessità di essere ulteriormente verificati.
Parallelamente al gruppo di Fairbairn, Anne-Christine Davis di Cambridge, Clare Burrage del DESY di Amburgo, e Douglas Shaw della Queen Mary di Londra hanno trovato diverse evidenze astrofisiche sull'esistenza di un meccanismo di trasformazione fotone-assione.
Questi ultimi risultati hanno animato la caccia agli assioni. Aaron Chou, l'addetto stampa dell'esperimento GammeV del Fermilab (l'esperimento che si occupa degli assioni) ha affermato:
Sebbene i risultati a favore del modello degli assioni sono suggestivi, essi non hanno alcun valore conclusivo. Il modello è comunque molto interessantem e spero che gli autori, o altri, avranno la capacità di trovare un modo per verificarlo.
D'altra parte Konstantin Zioutas, addetto stampa di CAST, l'esperimento sugli assioni presso il CERN, e ricercatore presso l'università di Patras in Grecia, ha detto che questi ultimi risultati hanno motivato il gruppo di CAST a migliorare gli apparati di rilevazione.
Un'eventuale scoperta degli assioni, comunque, oltre a fornire una delle possibili particelle costituenti la materia oscura, darebbe al fotone un meccanismo di travestimento non dissimile da quello che probabilmente coinvolge le tre famiglie di neutrini all'interno del Modello Standard, e quindi anche un possibile aggiornamento futuro del Modello stesso. A questo punto, da buon ricercatore, mi porrei la seguente domanda: perché, se la famiglia del fotone si allarga con l'assione, non dovrebbe esistere un terzo bosone di tipo fotonico(2)? Succede anche per i neutrini!
(da Axions hint a return e Evidence mounts for axion-like particles)
(1) Si ritiene che i fotoni riescano a coprire grandi distanze cosmiche proprio grazie a questi mescolamenti con gli assioni.
(2) Che l'assione sia una sorta di bosone fotonico era un'idea balenata sin dal 1978 al fisico teorico Steven Weinberg.

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