Credits: NASA/CXC/Cambridge Univ./C.S. Reynolds

Introduzione

Una delle più grandi idee in fisica è la possibilità che tutte le forze, le particelle e le interazioni conosciute possano essere collegate in una unico contesto. La teoria delle stringhe è probabilmente la proposta più nota per una “teoria del tutto” che legherebbe tutta la nostra comprensione dell’universo fisico.

Piccoli passi

Pur avendo molte versioni diverse della teoria delle stringhe, diffuse per decenni nella comunità fisica, ci sono stati pochissimi test sperimentali. Gli astronomi che utilizzano Chandra X-ray Observatory della NASA, tuttavia, hanno fatto un significativo passo avanti in questo settore.

Cercando tra i cluster di galassie, le più grandi strutture dell’universo tenute insieme dalla gravità, i ricercatori sono stati in grado di cercare una particella specifica prevista da molti modelli della teoria delle stringhe. Sebbene il mancato rilevamento non escluda del tutto la teoria delle stringhe, fornisce un contributo a determinati modelli nell’ambito di quella famiglia di idee.

Fino a poco tempo fa non avevo idea del contributo che gli astronomi che ricorrono a raggi X potessero dare alla teoria delle stringhe, potrebbero svolgere un ruolo importante“, ha affermato Christopher Reynolds dell’Università di Cambridge nel Regno Unito, che ha guidato lo studio. “Se alla fine queste particelle venissero rilevate, la fisica cambierebbe per sempre“.

In cerca dell’assione

La particella che Reynolds e i suoi colleghi stavano cercando si chiama “assione“. Queste particelle non ancora individuate dovrebbero avere masse straordinariamente basse. Gli scienziati non conoscono l’esatta gamma di masse, ma molte teorie prevedeono masse di assioni che vanno da circa un milionesimo della massa di un elettrone fino a zero. Alcuni scienziati pensano che gli assioni potrebbero spiegare il mistero della materia oscura, che rappresenta la stragrande maggioranza della materia nell’universo.

Una proprietà insolita di queste particelle a massa ultra-bassa sarebbe che a volte potrebbero convertirsi in fotoni (cioè pacchetti di luce) mentre attraversano campi magnetici. È vero anche il contrario: i fotoni possono anche essere convertiti in assioni in determinate condizioni. La frequenza con cui si verifica questo passaggio dipende dalla facilità con cui eseguono questa conversione, in altre parole dalla loro “convertibilità“.

Alcuni scienziati hanno proposto l’esistenza di una classe più ampia di particelle a massa ultrabassa con proprietà simili agli assioni. Gli assioni avrebbero un singolo valore di convertibilità per ogni massa, ma le “particelle simili ad assioni” avrebbero un intervallo di convertibilità alla stessa massa.

Anche se può sembrare un colpo lungo cercare minuscole particelle come assioni in strutture gigantesche come ammassi di galassie, in realtà sono posti fantastici in cui guardare“, ha affermato il co-autore David Marsh dell’Università di Stoccolma in Svezia. “I cluster di galassie contengono campi magnetici su distanze gigantesche e spesso contengono anche sorgenti luminose a raggi X. Insieme, queste proprietà aumentano le possibilità che la conversione di particelle simili ad assioni sia rilevabile“.

I rilevamenti di Chandra

Per cercare segni di conversione da particelle simili ad assioni, il team di astronomi ha esaminato per cinque giorni le osservazioni di Chandra sui raggi X da del materiale che cadeva verso il buco nero supermassiccio al centro dell’ammasso di galassie di Perseo. Hanno studiato lo spettro di questa fonte – o la quantità di emissione di raggi X osservata a diverse energie. La lunga osservazione e la brillante sorgente di raggi X hanno dato uno spettro con una sensibilità sufficiente per mostrare distorsioni che gli scienziati si aspettavano se fossero presenti particelle simili ad assioni.

La mancanza di rilevazione di tali distorsioni ha permesso ai ricercatori di escludere la presenza della maggior parte dei tipi di particelle simili agli assioni nella gamma di massa a cui le loro osservazioni erano sensibili, al di sotto di circa un milionesimo di miliardesimo della massa di un elettrone. 

La nostra ricerca non esclude l’esistenza di queste particelle, ma sicuramente non aiuta il loro caso“, ha affermato la coautrice Helen Russell dell’Università di Nottingham nel Regno Unito. “Questi vincoli scavano nella gamma delle proprietà suggerite dalla teoria delle stringhe e possono aiutare i teorici delle stringhe a eliminarli dalle loro teorie“.

Ipotesi all’estremo

L’ultimo risultato è stato circa tre o quattro volte più sensibile della precedente migliore ricerca di particelle simili ad assioni, che provenivano dalle osservazioni di Chandra sul buco nero supermassiccio in M87. Questo studio di Perseus è anche circa cento volte più potente delle attuali misurazioni che possono essere eseguite nei laboratori qui sulla Terra per la gamma di masse che hanno preso in considerazione.

Chiaramente, una possibile interpretazione di questo lavoro è che non esistono particelle simili ad assioni. Un’altra spiegazione è che queste particelle hanno valori di convertibilità persino inferiori rispetto al limite di rilevazione di questa osservazione, ancora di più di quanto si aspettassero alcuni fisici delle particelle. Potrebbero anche avere masse più elevate di quelle analizzate con i dati di Chandra.

Credits

Un documento che descrive questi risultati è apparso su The Astrophysical Journal ed è disponibile on-line. Oltre a Reynolds, Marsh e Russell, gli autori di questo articolo sono Andrew C. Fabian, anche dell’Università di Cambridge, Robyn Smith dell’Università del Maryland a College Park, Maryland, Francesco Tombesi dell’Università di Roma in Italia e Sylvain Veilleux, anch’essa dell’Università del Maryland.

Il Marshall Space Flight Center della NASA gestisce il programma Chandra. Il centro radiografico Chandra dell’Osservatorio Astrofisico Smithsonian controlla le operazioni scientifiche e di volo da Cambridge e Burlington, nel Massachusetts.

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