Credits: ICFO

Introduzione

Uno studio del PRL riporta come i ricercatori dell’ICFO hanno costruito un comagnetometro a spin BEC, uno strumento per studiare l’assione, una particella ipotetica che potrebbe spiegare il mistero della materia oscura.

Come cercare gli assioni

Gli scienziati sono stati in grado di osservare l’universo e determinare che circa l’80% della sua massa sembra essere “materia oscura” che esercita un’attrazione gravitazionale ma non interagisce con la luce e quindi non può essere vista con i telescopi. La nostra attuale comprensione della cosmologia e della fisica nucleare suggerisce che la materia oscura potrebbe essere fatta di assioni, particelle ipotetiche con insolite proprietà di simmetria.

In un nuovo articolo pubblicato su Physical Review Letters ed evidenziato come proposta di un editore, i ricercatori dell’ICFO Pau Gomez, Ferran Martin, Chiara Mazzinghi, Daniel Benedicto Orenes e Silvana Palacios, guidati dal Prof. ICREA dell’ICFO Morgan W. Mitchell, riportano come cercare gli assoni utilizzando le proprietà uniche dei condensati di Bose-Einstein (BEC).

L’assione, se esistesse implicherebbe “forze esotiche dipendenti dallo spin“. Il magnetismo, la più nota forza dipendente dallo spin, fa sì che gli elettroni puntino i loro giri lungo il campo magnetico, come l’ago di una bussola che punta verso nord. Il magnetismo è trasportato da fotoni virtuali, mentre forze “esotiche” dipendenti dallo spin verrebbero trasportate da assioni virtuali (o particelle simili ad assioni). Queste forze agirebbero sia sugli elettroni che sui nuclei e sarebbero prodotte non solo dai magneti, ma anche dalla materia ordinaria. Per sapere se esistono gli assioni, un buon modo è guardare e vedere se i nuclei preferiscono puntare verso altra materia.

Ricroso ai “comagnetometri”

Diversi esperimenti stanno già cercando queste forze, usando i “comagnetometri“, che sono sensori magnetici accoppiati nello stesso posto. Confrontando i segnali dei due sensori, l’effetto del normale campo magnetico può essere annullato, lasciando solo l’effetto della nuova forza. Finora, i comagnetometri sono stati solo in grado di cercare forze dipendenti dallo spin che raggiungono circa un metro o più. Per cercare forze dipendenti dallo spin a corto raggio, è necessario un comagnetometro più piccolo.

I condensati di Bose Einstein (BEC) sono gas raffreddati quasi allo zero assoluto. Poiché i BEC sono superfluidi, i loro atomi costituenti sono liberi di ruotare per diversi secondi senza attriti, rendendoli eccezionalmente sensibili sia ai campi magnetici che alle nuove forze esotiche. Un BEC è anche molto piccolo, circa 10 micrometri di dimensione. Per realizzare un comagnetometro BEC, tuttavia, è necessario risolvere un problema complicato: come posizionare due magnetometri BEC nello stesso volume ridotto.

Risolvere il problema

Nel loro studio, Gomez e i suoi colleghi riportano che sono in grado di risolvere questo problema usando due diversi stati interni dello stesso BEC 87Rb, ognuno funge da magnetometro separato ma co-localizzato. I risultati dell’esperimento confermano l’elevata immunità prevista al rumore dal normale campo magnetico e la capacità di cercare forze esotiche con intervalli molto più brevi rispetto ai precedenti esperimenti.

Oltre alla ricerca di assioni, la tecnica può anche migliorare le misurazioni di precisione della fisica delle collisioni ultrafredde e gli studi sulle correlazioni quantistiche nei BEC.

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