Padme, un esperimento alla ricerca del fotone oscuro e della “quinta forza” finora sconosciuta



(Foto: Infn. I Laboratori nazionali di Frascati)

Trovare il fotone oscuro e la quinta forza dell’universo: questi gli obiettivi della ricerca di Padme, il nuovo esperimento di fisica che è stato appena inaugurato e che vede l’Italia nuovamente in prima linea con i Laboratori nazionali di Frascati dell’Istituto nazionale di fisica nucleare. L’esperimento Padme intende capire realmente che cos’è la materia oscura, e potrebbe fornire nuove risposte sull’universo, subito dopo altri successi straordinari quali la scoperta del bosone di Higgs e delle onde gravitazionali:

La materia oscura è quella sostanza invisibile che costituirebbe oltre l’80% della composizione dell’universo (mentre la materia ordinaria, quella che vediamo è soltanto il 4%). Proprio perché oscura, non emette luce, non è visibile e le sue tracce possono essere rilevate soltanto in maniera indiretta, tramite misurazioni dei suoi effetti gravitazionali, come deformazioni, sulla materia ordinaria, quella che vediamo.

Oggi, invece, con Padme i fisici vogliono cercarla in un altro modo, inusuale e basato su teorie di partenza diverse.

La differenza rispetto ad altri esperimenti per la ricerca della materia oscura è che in questo caso l’ipotesi teorica alla base è che la materia oscura sia sensibile e risponda ad un nuovo tipo di forza, che non rientra fra le quattro forze fondamentali (elettromagnetica, debole, forte e gravitazionale), che descrivono l’intero universo secondo la fisica. L’ipotesi dell’esistenza di questa quinta forza è stata avanzata da alcuni nuovi modelli secondo cui sarebbe in grado di connettere la materia oscura con il nostro mondo e che andrebbe ad aggiungersi alle quattro forze fondamentali.

A questa forza, inoltre, è associata una particella messaggera, il fotone oscuro, che a differenza del fotone ordinario sarebbe dotato di una piccola massa e dunque leggermente pesante. “Lo studio della materia oscura è una delle frontiere più affascinanti della ricerca in fisica fondamentale”, commenta Mauro Raggi, spokesperson dell’esperimento, ricercatore Infn e dell’Università La Sapienza di Roma, “Non sappiamo di cosa sia fatta ma sappiamo che è costituita da qualcosa di diverso dalle particelle che compongono la materia ordinaria come i protoni, i neutroni o gli elettroni”.

Come farà Padme a cercare questa particella? A svelarcelo è già il suo acronimo, che sta per Positron Annihilation into Dark Matter Experiment, ovvero annichilazione di positroni nell’esperimento della materia oscura, (che sia un caso che l’acronimo ricostruisce proprio il nome di Padme Amidala, personaggio della saga di Guerre Stellari)? al centro dell’esperimento, dunque, non ci sono i protoni, come nell’Lhc, ma i positroni, le antiparticelle degli elettroni, usati anche in analisi cliniche come la Pet. Questi positroni, accelerati all’energia di 550 MeV (MegaelettronVolt), collidono contro un bersaglio fisso: dalle numerossime collisioni vengono prodotte altre particelle e i fisici sperano di trovare indizi anche del fotone oscuro. Insomma, un po’ come quando si gioca a freccette, queste particelle accelerate e sparate si scontreranno contro un centro fisso che è un sottilissimo bersaglio fatto di diamante, di spessore pari a un decimo di millimetro.

E il fotone oscuro dovrà essere scovato fra un milione di collisioni di particelle al secondo. Interagendo con gli elettroni atomici, i positroni potrebbero produrre i fotoni oscuri assieme ad un fotone visibile. “Padme si servirà per la prima volta di collisioni di positroni su un bersaglio fisso con lo scopo di esplorare il contenuto di quella parte nascosta del cosmo che chiamiamo materia oscura” sottolinea il ricercatore Raggi. “La possibilità che esistano nuove forze e nuove particelle sconosciute è sicuramente una frontiera molto affascinante”.

fisici spiegano anche da dove vengono queste particelle che si scontreranno.“Padme sfrutta un’infrastruttura di ricerca chiamata Beam Test Facility (Btf) che estrae particelle accelerate nell’acceleratore lineare Linac e che è stata impiegata, negli ultimi 15 anni, dalla comunità dei fisici sperimentali per lo sviluppo di nuove tecnologie di rivelatori”, racconta Paolo Valente, co-spokesperson dell’esperimento, ricercatore Infn e Sapienza Università di Roma. “In futuro, inoltre, sarà possibile usare la Beam Test Facility anche per applicazioni industriali, per esempio nel campo dello studio dei danni da irraggiamento”. L’esperimento è installato nella sala sperimentale della struttura di test (Btf) dell’acceleratore lineare dei Laboratori nazionali di Frascati. Per funzionare, inoltre, ha bisogno di tecnologie molto avanzate, fra cui bersaglio, calorimetro e monitor di fascio, nonché di un campo magnetico sviluppato da un magnete realizzato al Cern Super-Proto-Sincrotrone.

La sensibilità dell’esperimento, concludono i ricercatori, potrebbe essere molto migliorata utilizzando un fascio di particelle di più alta energia, per esempio utilizzando i positroni accelerati ed estratti da un sincrotrone. Questa proposta è in corso di studio in collaborazione con i colleghi della Cornell University, anche grazie a un programma di scambio finanziato dal Ministero degli esteri e della Cooperazione internazionale. Oltre all’Italia, prendono parte all’esperimento Padme i ricercatori dell’istituto Mta Atomki di Debrecen, Ungheria e dell’Università di Sofia, in Bulgaria, insieme alla Cornell University, Iowa University e William and Mary College negli Stati Uniti.


Fonte: WIRED.it