Introduzione

Le più recenti misurazioni indicherebbero che la materia oscura è pari all’86% di tutto l’universo. In generale si sa poco su di essa: alcuni “candidati” più promettenti della materia oscura sarebbero particelle bosoniche estremamente leggere come assioni, particelle simili ad assioni o persino fotoni scuri. “Questi possono anche essere considerati come un classico campo che oscilla a una certa frequenza. Ma non possiamo ancora mettere un numero su questa frequenza e quindi sulla massa delle particelle“, spiega il professor Dmitry Budker. “Questo è il motivo per cui nel programma di ricerca CASPEr stiamo studiando sistematicamente diverse gamme di frequenza alla ricerca di accenni di materia oscura“.

Ricerca della materia oscura tramite CASPEr

Il gruppo di Budker sta cercando la materia oscura attraverso il Cosmic Axion Spin Precession Experiment (CASPEr), presso il PRISMA + Cluster of Excellence della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) e dell’Helmholtz Institute Mainz (HIM). CASPEr è un programma di ricerca internazionale che utilizza tecniche di risonanza magnetica nucleare per identificare e analizzare la materia oscura.

Il team CASPEr sta sviluppando tecniche speciali di risonanza magnetica nucleare (NMR), ciascuna mirata a un intervallo di frequenza specifico e quindi a un intervallo specifico di masse di particelle di materia oscura. L’NMR si basa generalmente sul fatto che gli spin nucleari reagiscono ai campi magnetici oscillanti a una frequenza di risonanza specifica. La frequenza di risonanza è sintonizzata tramite un secondo campo magnetico statico. 

L’idea fondamentale del programma di ricerca CASPEr è che un campo di materia oscura può influenzare gli spin nucleari allo stesso modo. Mentre la Terra si muove attraverso questo campo, gli spin nucleari si comportano come se sperimentassero un oscillante campo magnetico, generando così uno spettro NMR indotto dalla materia oscura.

La tecnica zero-to-ultralow-field (ZULF) NMR

Il primo autore Antoine Garcon e i suoi colleghi hanno usato lo zero-to-ultralow-field (ZULF) NMR ed uno dei coautori, il Dr. John W. Blanchar, ha affermato: “ZULF NMR fornisce un regime in cui gli spin nucleari interagiscono più forte tra loro di quanto non facciano con un campo magnetico esterno. Per rendere gli spin sensibili alla materia oscura, dobbiamo solo applicare un campo magnetico esterno molto piccolo, che è molto più facile da stabilizzare“.

Inoltre, per la prima volta i ricercatori hanno esaminato gli spettri ZULF NMR di acido formico rispetto alle bande laterali indotte dalla materia oscura, impiegando un nuovo schema di analisi per mediare coerentemente bande laterali di frequenza arbitraria su misurazioni multiple.

Una nuova gamma di frequenze

Questa particolare forma di analisi della banda laterale ha permesso agli scienziati di cercare la materia oscura in una nuova gamma di frequenze. Non è stato rilevato alcun segnale di materia oscura, come riportato dal team CASPEr nell’ultima edizione di Science Advances, che consente agli autori di escludere la materia oscura ultraleggera con accoppiamenti sopra una determinata soglia. Allo stesso tempo, questi risultati forniscono un altro pezzo del puzzle della materia oscura e completano i risultati precedenti del programma CASPEr riportato a giugno, quando gli scienziati hanno esplorato frequenze ancora più basse utilizzando un altro metodo NMR specializzato chiamato “comagnetometry”.

Come un puzzle , combiniamo vari pezzi all’interno del programma CASPEr per restringere ulteriormente la portata della ricerca della materia oscura“, afferma Dmitry Budker.

John Blanchard aggiunge: “Questo è solo il primo passo. Attualmente stiamo implementando diverse modifiche molto promettenti per aumentare la sensibilità del nostro esperimento“.

Ulteriori informazioni: 

Antoine Garcon, et al. Vincoli sulla materia oscura bosonica da risonanza magnetica nucleare in ultralow field Science Advances   25 ott 2019: Vol. 5, n. 10, eaax4539. DOI: 10.1126 / sciadv.aax4539.
Fornito da: Universitaet Mainz