Gli scienziati potrebbero avere un nuovo modo di scrutare il "mondo oscuro" della fisica.
In un nuovo articolo, i fisici teorici affermano di avere un nuovo piano per la ricerca di particelle teoriche che, finora, non sono mai state osservate. Queste particelle, chiamate particelle di lunga durata, o LLP, potrebbero essere una finestra sulla materia oscura e sull'energia oscura, che insieme costituiscono il 95% dell'universo. La materia oscura esercita un'attrazione gravitazionale sulla materia ordinaria e si pensa che l'energia oscura acceleri l'espansione dell'universo. Ma nessuno dei due può essere osservato direttamente, poiché le interazioni che hanno con la materia luminosa dell'universo sono deboli, ha affermato Zhen Liu, ricercatore post-dottorato dell'Università del Maryland.
"Non ci parlano", ha detto Liu, uno dei ricercatori che sta lavorando al nuovo piano.
Ma i LLP potrebbero fornire un modo per quel mondo oscuro di comunicare con quello più leggero. E Liu e i suoi colleghi credono che modificando alcuni dei rivelatori nel più grande smasher atomico del mondo, il Large Hadron Collider (LHC) vicino a Ginevra, in Svizzera, i fisici potrebbero essere in grado di trovarli.
Mondi paralleli
Il "mondo oscuro", noto anche come "settore nascosto", descrive un insieme di particelle ipotetiche che andrebbero oltre il Modello Standard della fisica. (Il modello standard spiega i protoni, i neutroni, gli elettroni e tutte le strane particelle subatomiche che li accompagnano, come quark, muoni, neutrini e il bosone di Higgs.)
Se tutta la materia "normale" si trova in una valle, il mondo oscuro si trova in una valle parallela su una cresta, disse Liu. Ci vuole un'enorme quantità di energia per scalare quella dorsale, quindi le particelle nella valle del mondo oscuro interagiscono fortemente tra loro, ma solo leggermente con quelle dall'altra parte della montagna. Ma alcune particelle potrebbero essere in grado di passare attraverso quella barriera di energia dal mondo oscuro a quella che normalmente incontriamo attraverso un processo chiamato tunnel quantico. Probabilmente queste particelle non sarebbero gli equivalenti della materia oscura di particelle stabili come protoni o neutroni, disse Liu, ma forse sarebbero più affini alle particelle di Modello Standard più instabili.
Sono quelle particelle di tunnel che i ricercatori sono interessati a trovare. Ma queste particelle, se esistono, sono rare, ha detto Liantao Wang, un fisico teorico dell'Università di Chicago. L'LHC lancia i protoni l'uno con l'altro a un ritmo vertiginoso, producendo 1 miliardo di collisioni al secondo. Quelle collisioni frantumano i protoni in un numero enorme di particelle conosciute, modello standard. Per gli scienziati che cercano il settore nascosto, tutte quelle particelle sono solo rumore. Le particelle a cui sono interessati, ha detto Wang, potrebbero apparire solo poche volte un decennio.
Un nuovo percorso
Wang, insieme a Liu e alla loro collega, Jia Liu, sono gli autori del nuovo articolo, pubblicato il 3 aprile sulla rivista Physical Review Letters, che suggerisce un modo per intravedere queste rare particelle.
Tutto dipende dai tempi. LLPs, ha detto Wang, dovrebbe essere massiccio e pesante rispetto alle particelle del modello standard che l'LHC crea alla rinfusa. La loro lentezza è dovuta al grande ostacolo energetico che devono superare solo per fare un'impressione sul mondo della materia normale, ha detto Liu. Ma il ritmo della loro lumaca è anche una caratteristica utile per i fisici. La maggior parte delle particelle elementari nell'LHC viaggiano alla velocità della luce e decadono rapidamente. Il bosone di Higgs, per esempio, è sparito in soli 10 o meno 22 secondi, trasformandosi in un insieme di particelle più stabili.
I LLP, tuttavia, dovrebbero vivere lentamente - fino a un decimo di secondo, ha detto Wang. Viaggiano anche più lentamente della velocità della luce. Pertanto, la regolazione dei rilevatori dell'LHC per cercare particelle che arrivano in ritardo ai loro sensori dovrebbe essere la chiave per rilevarli.
"È un'idea molto semplice", ha detto Wang, "ma si rivela sorprendentemente efficace".
Alcune di queste modifiche arriveranno naturalmente con gli aggiornamenti di LHC, che sono in corso ora, ha detto Liu. Il collettore di particelle si aprirà di nuovo nel 2021, con rivelatori che saranno in grado di misurare i tempi di arrivo di una particella 10 volte più precisamente di quanto non possa attualmente, ha detto. Da lì, ha detto, è solo una questione di alcune modifiche al software per sfruttare le capacità dell'LHC e assicurarsi che i fisici sperimentali che usano il collider diano la priorità alla ricerca. Ora, hanno detto Wang e Liu, loro e i loro colleghi sperimentali stanno avendo una serie di incontri per assicurarsi che tutti siano sulla stessa pagina.
"Succederà", ha detto Liu.
