Ricostruzione artistica. Credits: CC BY-SA 3.0 IGO

Introduzione

Un nuovo studio, condotto da un fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, suggerisce che particelle mai osservate prima d’ora, chiamate assioni, possono essere la fonte di inspiegabili emissioni di raggi X ad alta energia che circondano un gruppo di stelle di neutroni.

Assioni in Magnificente 7?

Teorizzati per la prima volta negli anni ’70 come parte di una soluzione a un problema fondamentale della fisica delle particelle, ci si aspetta che gli assioni siano prodotti al centro delle stelle e che si convertano in particelle di luce, chiamate fotoni, in presenza di un campo magnetico.

Gli assioni possono anche costituire la materia oscura – la materia misteriosa che rappresenta, secondo le stime, l’85% della massa totale dell’universo – eppure finora abbiamo visto solo i suoi effetti gravitazionali sulla materia ordinaria. Anche se questo eccesso di raggi X rilevati non dovesse essere assioni o materia oscura, potrebbe comunque aprire il campo ad una nuova fisica.

Una collezione di stelle di neutroni, note come Magnificent 7, ha fornito un eccellente banco di prova per la possibile presenza di assioni dal momento che queste stelle possiedono potenti campi magnetici, sono relativamente vicine – nel giro di centinaia di anni luce – e ci si aspettava che producessero solo raggi X a bassa energia e luce ultravioletta.

Sono note per essere molto ‘noiose‘”, e in questo caso è una buona cosa, ha detto Benjamin Safdi, Divisional Fellow del gruppo di teoria della Divisione di Fisica del Laboratorio di Berkeley che ha condotto uno studio pubblicato il 12 gennaio sulla rivista Physical Review Letters, spiegaziondo in dettaglio l’eccesso di assioni. Christopher Dessert, affiliato della Berkeley Lab Physics Division, ha contribuito in modo determinante allo studio a cui hanno partecipato ricercatori della UC Berkeley, dell’Università el Michigan, dell’Università di Princeton e dell’Università del Minnesota.

Qualcosa non torna

Se le stelle di neutroni fossero di un tipo noto come pulsar, avrebbero una superficie attiva che emette radiazioni a diverse lunghezze d’onda. Questa radiazione apparirebbe in tutto lo spettro elettromagnetico, ha notato Safdi, e potrebbe soffocare questa firma a raggi X che i ricercatori hanno trovato, o produrrebbe segnali a radiofrequenza. Ma quelle di Magnificent 7 non sono pulsar, e non è stato rilevato alcun segnale radio. Anche altre comuni spiegazioni astrofisiche non sembrano reggere alle osservazioni, ha detto Safdi.

Se l’eccesso di raggi X rilevato intorno al Magnificent 7 fosse stato generato da uno o più oggetti nascosti dietro le stelle di neutroni, probabilmente sarebbe apparso nei set di dati che i ricercatori stanno usando da due satelliti spaziali: i telescopi a raggi X X XMMM-Newton dell’Agenzia Spaziale Europea e Chandra della NASA.

Safdi e i suoi collaboratori affermano che è ancora possibile che una nuova spiegazione, non basata sugli assioni, si presenti per spiegare l’eccesso di raggi X osservato, anche se rimangono speranze che tale spiegazione si collochi al di fuori del Modello Standard della fisica delle particelle e che nuovi esperimenti da terra e nello spazio confermino l’origine del segnale a raggi X ad alta energia.

Siamo abbastanza sicuri che questo eccesso esista e siamo molto fiduciosi che ci sia qualcosa di nuovo in questo eccesso“, ha detto Safdi. “Se fossimo sicuri al 100% che quello che stiamo vedendo è una nuova particella, sarebbe un qualcosa di sconvolgente. Sarebbe rivoluzionario nel campo della fisica“. Anche se la scoperta non fosse associata a una nuova particella o alla materia oscura, ha detto: “Ci direbbe molto di più sul nostro universo, e ci sarebbe molto da imparare“.

Raymond Co, ricercatore post-dottorato dell’Università del Minnesota che ha collaborato allo studio, ha detto: “Non stiamo ancora sostenendo di aver fatto la scoperta dell’assione, ma stiamo dicendo che i fotoni a raggi X in più possono essere spiegati con gli essi. È una scoperta entusiasmante ed è una possibilità incredibile che è già coerente con la nostra interpretazione degli assioni“.

Se esistessero gli assioni, ci si aspetterebbe che si comportino come i neutrini di una stella, poiché entrambi avrebbero masse molto piccole e interagirebbero solo molto raramente e debolmente con l’altra materia. Potrebbero essere prodotte in abbondanza all’interno delle stelle. Le particelle non cariche, chiamate neutroni, si muovono all’interno delle stelle di neutroni, interagendo occasionalmente sparpagliandosi l’una con l’altra e rilasciando un neutrino o eventualmente un’assione. Il processo di emissione dei neutrini è il modo dominante in cui le stelle di neutroni si raffreddano nel tempo.

Come i neutrini, gli assioni sarebbero in grado di viaggiare al di fuori della stella. Il campo magnetico incredibilmente forte che circonda le stelle di Magnificent 7 – miliardi di volte più forte dei campi magnetici che possono essere prodotti sulla Terra – potrebbe far sì che gli assioni uscenti si convertano in luce.

Le stelle di neutroni sono oggetti incredibilmente esotici e Safdi ha notato che molti modelli, analisi dei dati e lavoro teorico sono stati oggetto dell’ultimo studio. I ricercatori hanno usato nell’ultimo lavoro i supercomputer della Berkeley Lab, noti come Lawrencium Cluster.

Alcuni di questi lavori sono stati condotti presso l’Università del Michigan, dove Safdi ha lavorato in precedenza. “Senza il lavoro di supercalcolo ad alte prestazioni al Michigan e alla Berkeley, niente di tutto questo sarebbe stato possibile“, ha detto. “Ci sono molti dati ed alcuni di questi lavori sono stati condotti presso l’Università del Michigan, dove Safdi ha lavorato in precedenza. Senza il lavoro di supercalcolo ad alte prestazioni al Michigan e a Berkeley, niente di tutto questo sarebbe stato possibile”, ha detto. “Ci sono un sacco di elaborazioni e analisi di dati che sono stati effettuati. Bisogna modellare l’interno di una stella di neutroni per prevedere quanti assioni devono essere prodotti all’interno di quella stella”.

E ora? Come si procede?

Safdi ha osservato che come passo successivo in questa ricerca, le stelle nane bianche sarebbero un luogo privilegiato per la ricerca degli assioni, perché hanno anche campi magnetici molto forti e ci si aspetta che siano “ambienti privi di raggi X“. “Questo comincia ad essere abbastanza convincente che si tratti di qualcosa che va oltre il Modello Standard se anche lì vediamo un eccesso di raggi X“, ha detto.

I ricercatori potrebbero anche impiegare un altro telescopio spaziale a raggi X, chiamato NuStar, per aiutare a risolvere il mistero dell’eccesso di raggi X.

Safdi ha detto di essere entusiasta anche degli esperimenti a terra come il CAST al CERN, che funziona come un telescopio solare per rilevare le assi convertite in raggi X da un forte magnete, e ALPS II in Germania, che utilizzerebbe un potente campo magnetico per far sì che gli assioni si trasformino in particelle di luce da un lato della barriera quando la luce laser colpisce l’altro lato della barriera.

Gli assioni hanno ricevuto maggiore attenzione in quanto una successione di esperimenti non è riuscita a rivelare segni delle WIMP (particella di massa che interagisce debolmente), un altro candidato promettente per la materia oscura. E l’immagine dell’assione non è così semplice.

Potrebbero esserci centinaia di particelle simili agli assini, o ALP, che costituiscono la materia oscura, e la teoria delle stringhe – una teoria candidata per descrivere le forze dell’universo – tiene aperta la possibile esistenza di molti tipi di ALP.

Credits

Lo studio è stato sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dall’Ufficio per l’energia dell’U.S. Office of Science Early Career Research Program; dall’Advanced Research Computing e dalla Leinweber Graduate Fellowship presso l’Università del Michigan, Ann Arbor; dalla National Science Foundation; dall’Istituto di Magonza per la Fisica Teorica (MITP) del Cluster of Excellence PRISMA+; dall’Istituto di Monaco di Baviera per la Fisica Astro e delle Particelle (MIAPP) del Cluster Excellence Cluster Origins del DFG; e dal dipartimento di Teoria del CERN.

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