Assione

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L'assione è una ipotetica particella elementare, proposta per spiegare l'assenza del momento di dipolo elettrico nel neutrone.

La presenza del momento di dipolo elettrico del neutrone sarebbe la conseguenza della violazione della cosiddetta simmetria CP nell'ambito dei fenomeni descritti dalla cromodinamica quantistica (ossia la teoria standard delle interazioni nucleari forti). L'assione costituisce quindi la soluzione prevista dalla teoria di Peccei-Quinn per risolvere la questione della CP forte.

Nel 2006, uno studio sperimentale condotto nell'ambito del progetto PVLAS ha fornito risultati che indicherebbero la rilevazione di assioni, anche se non ci sono stati finora ulteriori studi volti a confermarlo.

Il nome assione fu scelto da Frank Wilczek, co-autore del primo articolo scientifico in cui si prediceva l'esistenza di queste particelle, dal nome di un noto detersivo diffuso negli Stati Uniti negli anni 1950.

[modifica] Perché introdurre gli assioni

Come dimostrato da Gerardus 't Hooft, senza l'introduzione degli assioni le equazioni della cromodinamica quantistica predicono che in alcuni casi l'interazione nucleare forte possa violare sia la simmetria di carica sia quella di parità, indicate complessivamente come simmetria CP; insieme agli effetti dell'interazione debole, la violazione della simmetria Cp, indicata con $\bar\Theta$ , compare nel Modello Standard come un parametro indipendente, non predetto dalla teoria ma misurabile. Una violazione della simmetria CP comporterebbe infatti la presenza di un elevato momento di dipolo elettrico per il neutrone, finora però mai osservato; da ciò deriva che $\bar\Theta$ dovrebbe avere valori molto piccoli o essere totalmente assente. Sorge dunque un ulteriore problema: perché questo parametro è così prossimo a zero?

Una semplice soluzione al problema è la seguente: se almeno un quark descritto dal Modello Standard fosse senza massa, $\bar\Theta$ diventerebbe inosservabile e scomparirebbe dal modello; in realtà forti indizi indicano che tutti i quark possiedono una massa, mantenendo così aperta la questione.

Nel 1977, Roberto Peccei e Helen Quinn postularono una nuova possibile simmetria per risolvere questo problema: associarono a $\bar\Theta$ un campo quantistico, aggiungendo nel Modello Standard una nuova simmetria (chiamata simmetria di Peccei-Quinn) che viene spontaneamente violata. In seguito, Frank Wilczek e Steven Weinberg fecero notare come la nuova simmetria introdotta implicava l'esistenza di una nuova particella, che chiamarono assione.

E' stato fatto notare che l'esistenza degli assioni è una componente necessaria anche per la teoria delle stringhe.

[modifica] Proprietà attese

Secondo queste previsioni teoriche, l'assione non ha carica elettrica, ha massa molto piccola, compresa tra 10⁻⁶ e 10⁻² eV/c², non ha spin, ed interagisce con la materia ordinaria (elettroni, protoni, ecc...) solo molto debolmente, ragione per cui è considerato una particella praticamente invisibile. Esiste la possibilità che gli assioni possano trasformarsi in fotoni e viceversa in presenza di intensi campi magnetici, e gli attuali esperimenti volti a rintracciare la presenza di queste particelle tentano di sfruttare proprio questa proprietà.

Nella teoria supersimmetrica l'assione possiede sia un superpartner fermionico sia un superpartner scalare, chiamati rispettivamente assino e s-assione. In alcuni modelli fisici, s-assione coincide con il dilatone.

[modifica] Misurazioni sperimentali

Nonostante le difficoltà di rilevazione, l'esistenza degli assioni non può essere esclusa sulla base delle osservazioni attuali.

Lo studio italiano denominato PVLAS ha utilizzato un fascio di luce polarizzata fatto passare attraverso intensi campi magnetici per rilevare una possibile rotazione anomala nella direzione della polarizzazione; ciò è tuttavia molto difficile da rilevare, e un possibile espendiente è quello di riflettere la luce e farle attraversare il campo magnetico milioni di volte. I dati più recenti di PVLAS riportano effettivamente un'anomala rotazione, interpretabile con l'esistenza di assioni aventi massa di circa 1-1.5 meV; è possibile comunque che questa anomalia sia causata da fenomeni totalmente diversi [1].

In molti esperimenti si ricercano assioni di origine cosmica attraverso la trasformazione degli assioni in fotoni e viceversa in presenza di forti campi elettromagnetici (effetto Primakoff); gli assioni possono essere prodotti nel nucleo del Sole quando elettroni e protoni emettono raggi X che si trasformano appunto in queste particelle. L'esperimento CAST è a tutt'oggi alla ricerca di assioni che converte in raggi gamma più facili da rilevare.

L'esperimento ADMX (acronimo di Axion Dark Matter Experiment) condotto al Laboratorio Nazionale "Lawrence Livermore"^[1] ricerca le deboli interazioni degli assioni presenti nell'alone di materia oscura presente nella nostra galassia; un campo magnetico converte questi assioni in fotoni, rilevati da una sorta di "cassa di risonanza" sensibile alle frequenze comprese tra i 460 e gli 810 MHz.

Un ulteriore tipo di esperimento^[2] consiste nel far passare un raggio di luce in un campo magnetico, in modo da far trasformare alcuni fotoni in assioni, e successivamente in un ulteriore campo che dovrebbe bloccare i fotoni e riconvertire gli assioni (entrambi i processi sono poco efficienti, per cui serve un flusso di fotoni estremamente intenso).

[modifica] Implicazioni cosmologiche

Nonostante la massa prevista per gli assioni sia estremamente piccola, essi sarebbero stati prodotti in grande quantità nei primi istanti dopo il Big Bang.

Se gli assioni possiedono una massa molto piccola, la teoria prevede che l'universo dovrebbe essere permeato di un condensato di Bose-Einstein molto freddo composto da questi assioni primordiali. Gli assioni dunque potrebbero spiegare la natura della materia oscura, problema centrale della cosmologia moderna. Gli odierni metodi per la ricerca di assioni difettano però nell'accuratezza delle misure.

Recenti studi hanno però escluso l'esistenza di assioni con elevate masse, e anche l'esperimento ADMX ha recentemente confermato l'assenza di assioni con masse dell'ordine dei 10^-6 eV, cosa che eliminerebbe il contributo dato dagli assioni alla materia oscura^[3].

[modifica] Note

↑ L. D. Duffy et al., A High Resolution Search for Dark-Matter Axions, Phys. Rev. D 74, 012006 (2006)preprint
↑ A. Ringwald, Fundamental physics at an X-ray free electron laser, Dibattito al "Workshop on Electromagnetic Probes of Fundamental Physics", svoltosi a Erice, nell'ottobre 2001 preprint
↑ P. L. Jain, G. Singh, Search for new particles decaying into electron pairs of mass below 100 MeV/c², J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., 34, 129-138, (2007); doi:10.1088/0954-3899/34/1/009.