Un team internazionale di fisici è riuscito a risolvere un dilemma teorico che rimaneva senza risposta da quando i personaggi Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter lo avevano sollevato nella popolare serie The Big Bang Theory: determinare come potrebbero essere prodotti i misteriosi assioni in condizioni sperimentali reali. La scoperta, pubblicata di recente sul Journal of High Energy Physics, non solo chiude il cerchio tra finzione e scienza, ma apre nuove porte alla comprensione della materia oscura, uno dei più grandi enigmi dell’universo.
Axioni: la scommessa della fisica contro la materia oscura
La materia oscura costituisce l’85% della massa dell’universo, ma è invisibile ai telescopi e non può essere osservata né riflettere radiazioni. La sua esistenza è dedotta dagli effetti gravitazionali: tiene insieme le galassie, curva la luce degli oggetti lontani e lascia un’impronta specifica nel fondo cosmico a microonde.
Da decenni gli scienziati cercano di identificare la particella responsabile, e tra le candidate più solide figurano gli assioni, particelle subatomiche estremamente leggere e prive di carica elettrica.
Il problema, che in The Big Bang Theory veniva presentato con lavagne piene di equazioni e una faccina triste disegnata con il gesso, rifletteva la reale frustrazione della fisica delle particelle: fino ad oggi, gli assioni non sono mai stati rilevati. Tuttavia, molti esperimenti in tutto il mondo continuano a seguirne le tracce, convinti che questi “mattoni della materia oscura” potrebbero essere stati generati in grandi quantità dopo il Big Bang.
Secondo lo studio condotto da Jure Zupan dell’Università di Cincinnati, la chiave potrebbe essere nei reattori a fusione nucleare. A differenza degli approcci precedenti, che si basavano su osservazioni astronomiche o su rilevatori situati in miniere profonde, la proposta si basa sull’utilizzo di reattori sperimentali in grado di generare assioni in modo controllato e misurabile.
“L’emissione di particelle leggere e debolmente accoppiate come gli assioni può avvenire durante le transizioni nucleari stimolate dai neutroni”, hanno spiegato gli autori.
Reattori a fusione e una soluzione ispirata alla finzione
Lo studio si basa su un particolare tipo di reattore a fusione, alimentato con deuterio e trizio e le cui pareti sono rivestite di litio. Questo progetto, sviluppato nell’ambito del progetto internazionale ITER, genera un intenso flusso di neutroni a partire dalle reazioni di fusione. I ricercatori sostengono che questi neutroni, interagendo con i materiali del reattore, possono innescare processi nucleari che danno origine a particelle esotiche come gli assioni.
Inoltre, gli autori dello studio descrivono un secondo meccanismo: la radiazione di frenata o bremsstrahlung. Quando i neutroni entrano in collisione e perdono energia, possono emettere questa forma speciale di radiazione, che sarebbe anche in grado di produrre assioni. Pertanto, “la novità di questa proposta sta nel suo approccio sistematico per identificare segni specifici della produzione di assioni in contesti energetici concreti”, sottolinea l’articolo, che si basa su modelli teorici avanzati e simulazioni dettagliate.
Curiosamente, l’ipotesi generale era già stata suggerita nella serie The Big Bang Theory. Nella quinta stagione, diversi episodi fanno riferimento a equazioni che descrivono come potrebbero nascere gli assioni nel nucleo del Sole, e in una scena una formula calcola la probabilità di rilevarli in un reattore a fusione. Il risultato era scoraggiante. “Tuttavia, è possibile produrli nei reattori utilizzando processi diversi da quelli del Sole”, afferma Zupan.
Il lavoro del team va oltre la finzione, proponendo meccanismi di produzione che finora non avevano ricevuto sufficiente attenzione e che possono essere studiati sperimentalmente in impianti come ITER.
La sfida di rilevare gli assioni e il futuro della ricerca
Produrre assioni in un reattore sarebbe un notevole passo avanti, ma la vera sfida è rilevarli, poiché queste particelle attraversano la materia senza interagire e non emettono radiazioni.
Lo studio suggerisce strategie sperimentali come l’uso di nuclei di deuterio, che potrebbero decomporrarsi in un protone e un neutrone interagendo con un assione. Rilevare questi prodotti consentirebbe di dedurre la presenza dell’assione.
La sensibilità di questo metodo dipende da fattori quali l’intensità del flusso di assioni, l’energia dei neutroni, il tipo di rilevatore e il livello di rumore di fondo. Il team di Zupan fornisce stime e scenari in cui la tecnica potrebbe essere praticabile. “Abbiamo dimostrato che la dissociazione deuteronica consente di esplorare regioni dello spazio dei parametri non accessibili con altri mezzi sperimentali”, hanno concluso gli autori.
Sebbene lo studio non implichi il rilevamento definitivo degli assioni, fornisce una tabella di marcia chiara e fondata per la loro ricerca in ambienti controllati, il che lo differenzia da altre proposte più speculative o dipendenti da fenomeni cosmici difficili da replicare. Le sfide tecniche rimangono significative, ma l’infrastruttura necessaria è già disponibile o in fase di sviluppo.
Progetti come ITER potrebbero essere adattati per incorporare rilevatori specializzati e contribuire così a risolvere uno dei più grandi misteri della scienza moderna. Nelle parole dello stesso Zupan, “è possibile produrli nei reattori se si utilizzano processi diversi da quelli del Sole”.
In questo modo, la fisica delle particelle e l’ingegneria energetica avanzano insieme verso l’esplorazione di nuove frontiere, mentre la scienza reale risponde a un problema nato dalla finzione.
