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Introduzione

Credits: RIKEN

I calcoli mostrano come le teoriche “axionic strings” possano creare comportamenti strani se prodotte in materiali esotici in laboratorio.

Un’ipotetica particella che potrebbe risolvere uno dei più grandi enigmi della cosmologia è appena diventata un po’ meno misteriosa. Un fisico della Riken e due colleghi hanno rivelato le basi matematiche che potrebbero spiegare come i cosiddetti assioni possano generare entità simili a stringhe che creano una strana tensione nei materiali di laboratorio.

Gli assioni e l’enigma cosmico

Gli assioni sono stati ipotizzati per la prima volta negli anni ’70 da fisici che studiavano la teoria della cromodinamica quantistica, che descrive come alcune particelle elementari sono tenute insieme all’interno del nucleo atomico. Il problema era che questa teoria prevedeva alcune proprietà bizzarre per le particelle note che non vengono osservate. Per risolvere questo problema, i fisici posero una nuova particella che più tardi fu soprannominata assione, come una marca di detersivo per il bucato, perché aiutava a ripulire un pasticcio nella teoria.

I fisici si resero presto conto che gli assioni potevano risolvere anche un enigma cosmico. Si pensa che più dell’80% della materia dell’Universo sia costituita da una misteriosa sostanza invisibile, chiamata materia oscura. “Gli assi sono un candidato per la materia oscura, ma non li abbiamo ancora trovati“, dice Yoshimasa Hidaka, del programma interdisciplinare di scienze teoriche e matematiche di Riken. Gli assioni possono avere le proprietà giuste, quindi i fisici hanno cercato i segni della loro esistenza in numerosi esperimenti. Nel giugno 2020, l’esperimento XENON1T presso il Laboratorio del Gran Sasso in Italia ha riportato indizi che potrebbero aver rilevato l’assione, ma il risultato non è ancora stato confermato.

Trovata la sottostante struttura matematica

Ma c’è un’altra arena dove si possono studiare le proprietà dell’assione. I fisici possono preparare in laboratorio materiali esotici chiamati isolanti topologici, che mostrano strane proprietà, come la conduzione di elettricità sulla loro superficie, pur rimanendo isolanti elettrici all’interno. Tali materiali mostrano altri comportamenti strani. A volte, i loro elettroni si raggruppano e si muovono in modo tale che il materiale sembra essere fatto di ‘quasi particelle‘ con proprietà insolite. Questo può creare una tensione inaspettata attraverso il materiale, chiamata effetto Hall anomalo.

Si prevede che l’assione si presenti anche in questo modo, negli isolanti topologici, dove dovrebbe interagire con particelle di luce, o fotoni, in modo diverso dalle particelle normali.

Hidaka e i suoi due colleghi hanno ora esaminato la teoria che regola l’interazione tra assioni e fotoni. Anche se gli assioni sono particelle puntiformi, il team ha calcolato che all’interno dei materiali, la luce interagisce in realtà con configurazioni estese, simili a fili, fatte di assioni, chiamate stringhe assioniche. Questo porterebbe all’anomalo effetto Hall, che si osserva negli esperimenti.

Abbiamo trovato la struttura matematica sottostante al fenomeno“, dice Hidaka

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