La caccia alle sfuggenti particelle assioniche: gli esperimenti suggeriscono metodi migliori per esplorare il settore oscuro

7 giugno 2023

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dal Laboratorio Nazionale di Los Alamos

Da quando gli assioni furono previsti per la prima volta dalla teoria quasi mezzo secolo fa, i ricercatori hanno cercato prove dell’esistenza di questa sfuggente particella, che potrebbe esistere al di fuori dell’universo visibile, nel settore oscuro. Ma come si trovano le particelle che non si vedono?

I primi risultati di fisica dell’esperimento Coherent CAPTAIN-Mills a Los Alamos – appena descritti in una pubblicazione sulla rivista Physical Review D – suggeriscono che la sperimentazione con argon liquido, basata su un acceleratore, progettata inizialmente per cercare particelle ipotetiche simili come i neutrini sterili , potrebbe anche essere un set-up ideale per cercare assioni furtivi.

"La conferma dell'esistenza delle particelle del settore oscuro avrebbe un profondo impatto sulla comprensione del Modello Standard della fisica delle particelle, nonché sull'origine e l'evoluzione dell'universo", ha affermato il fisico Richard Van de Water. "Un grande obiettivo della comunità dei fisici è esplorare modi per rilevare e confermare queste particelle. L'esperimento Coherent CAPTAIN-Mills accoppia le previsioni esistenti di particelle di materia oscura come gli assioni con acceleratori di particelle ad alta intensità in grado di produrre questo oscuro difficile da trovare." questione."

La teoria fisica suggerisce che solo il 5% dell’universo è costituito da materia visibile – atomi che formano cose che possiamo vedere, toccare e sentire – e che il restante 95% è la combinazione di materia ed energia nota come settore oscuro. Assioni, neutrini sterili e altri possono spiegare e spiegare tutta o parte di quella densità di energia mancante.

L’esistenza degli assioni potrebbe anche risolvere un problema di lunga data del Modello Standard, che delinea il comportamento noto del mondo subatomico. A volte definiti "fossili" dell'universo, che si ipotizza abbiano avuto origine appena un secondo dopo il Big Bang, gli assioni potrebbero anche dirci molto sui momenti fondativi dell'universo.

L’esperimento Coherent CAPTAIN-Mills è stato uno dei numerosi progetti a ricevere finanziamenti dal Dipartimento dell’Energia per la ricerca nel settore oscuro nel 2019, insieme a finanziamenti sostanziali dal programma di ricerca e sviluppo diretto dal laboratorio a Los Alamos. Un prototipo di rilevatore denominato CCM120 è stato costruito e utilizzato durante il ciclo del fascio del Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) del 2019. La pubblicazione Physical Review D descrive i risultati della fase di progettazione iniziale del CCM120.

"Basato sulla prima fase della ricerca CAPTAIN-Mills, l'esperimento ha dimostrato la capacità di eseguire la ricerca di assioni", ha affermato Bill Louis, anche lui fisico del progetto a Los Alamos. "Ci stiamo rendendo conto che il regime energetico fornito dal fascio di protoni del LANSCE e il design del rilevatore di argon liquido offrono un paradigma inesplorato per la ricerca sulle particelle simili agli assioni."

Di stanza nel Centro Lujan adiacente al LANSCE, l'esperimento Coherent CAPTAIN-Mills è un rilevatore di argon liquido da 10 tonnellate, superraffreddato. (CAPTAIN sta per Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Reactions with Neutrinos.)

I protoni ad alta intensità da 800 megaelettronvolt generati dall'acceleratore LANSCE colpiscono un bersaglio di tungsteno nel Centro Lujan, quindi attraversano 23 metri attraverso un'estesa schermatura in acciaio e cemento fino al rilevatore per interagire con l'argon liquido.

Le pareti interne del prototipo del rilevatore sono rivestite con 120 tubi fotomoltiplicatori sensibili da otto pollici (da cui il soprannome di CCM120) che rilevano lampi di luce - singoli fotoni - che si verificano quando una particella del settore regolare o scuro spinge un atomo nel serbatoio di argon liquido.