Gli effetti quantistici intrinseci della materia oscura assionica sono completamente non rilevabili

La materia oscura è una forma sfuggente di materia che quasi mai emette, assorbe o riflette luce, interagendo solo debolmente con la materia ordinaria. Queste proprietà rendono molto difficile rilevarla utilizzando le tecniche e gli strumenti sperimentali convenzionali.

Negli ultimi decenni, i fisici hanno dedotto indirettamente l’esistenza della materia oscura, studiandone l’influenza sulla gravità di stelle, galassie e altri oggetti cosmologici. Poiché non è mai stata osservata direttamente, la composizione e la natura esatte della materia oscura rimangono sconosciute.

Una particella ipotetica di materia oscura è l’assione, una particella ultraleggera che si prevede sia molto abbondante nell’universo. La maggior parte degli studi esistenti descrive gli assioni come un campo classico, un’entità ondulatoria che assomiglia a un campo elettromagnetico.

Ricercatori dell’Università di Chicago, del Lawrence Berkeley National Laboratory e dell’UC Berkeley hanno recentemente condotto uno studio per valutare la validità del trattamento della materia oscura assionica come un campo classico, confrontando le teorie classiche di rilevamento degli assioni con un quadro teorico basato sulla meccanica quantistica. Il loro articolo, pubblicato su Physical Review Letters , suggerisce che, sebbene la materia oscura assionica possa possedere proprietà quantistiche nascoste, distinguere queste proprietà dagli effetti classici è impossibile con gli strumenti attualmente disponibili.

“Si sono registrati rapidi progressi nell’utilizzo di tecnologie quantistiche all’avanguardia per la costruzione di rivelatori per la ricerca della materia oscura”, ha dichiarato a Phys.org Lian-Tao Wang, coautore dell’articolo. “Tuttavia, la meccanica quantistica non è stata utilizzata per la descrizione della materia oscura stessa. Ciò è particolarmente vero per l’assione, un candidato estremamente promettente per la materia oscura.”

I rivelatori possono osservare le caratteristiche quantistiche nascoste degli assioni?

Wang e i suoi colleghi volevano stabilire se il trattamento classico degli assioni fosse effettivamente valido dal punto di vista teorico. A tal fine, hanno confrontato modelli che consideravano gli assioni come un campo classico con una rappresentazione degli assioni basata sulla meccanica quantistica.

“La materia oscura assionica interagisce in modo estremamente debole con i nostri strumenti sperimentali, ma è comunque potenzialmente rilevabile grazie all’elevatissimo numero di assioni”, ha spiegato Wang. “Abbiamo dimostrato che gli effetti intrinsecamente quantistici dell’assione sono penalizzati dalla sua debole interazione, ma non vengono amplificati dall’elevato numero di assioni. Piuttosto, si manifestano solo come lievissime variazioni nelle statistiche di ordine superiore del rivelatore.”

Nell’ambito del loro studio, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo modello per la rilevazione della materia oscura tramite assioni, interamente basato sulle leggi della meccanica quantistica. Hanno quindi effettuato diversi calcoli volti a determinare se gli esperimenti potessero distinguere gli stati quantistici degli assioni dagli stati classici.

Nel complesso, i loro risultati suggeriscono che, anche se gli assioni potessero esistere in stati quantistici, i rivelatori li percepirebbero quasi sempre come se si comportassero in modo classico. Questo perché gli effetti quantistici verrebbero soppressi in quanto il rivelatore probabilmente osserva molte onde di assioni simili che si mediano a vicenda, e perché la debole interazione degli assioni con il rivelatore tende a nascondere le firme quantistiche.

Guidare le future ricerche sulla materia oscura

Il recente lavoro di Wang e dei suoi colleghi suggerisce che i modelli che inquadrano gli assioni come un campo classico funzionano bene sperimentalmente. Dimostra inoltre che rilevare gli effetti intrinsecamente quantistici degli assioni è irrealizzabile e che persino un esperimento progettato in modo ottimale dovrebbe durare molto più a lungo dell’età dell’universo per poter rilevare tali effetti.

“Nel settore c’è stata una notevole confusione riguardo al significato preciso degli effetti quantistici intrinseci e alla loro osservabilità negli esperimenti sulla materia oscura”, ha affermato Wang. “Siamo stati in grado di dimostrare rigorosamente che non saranno osservabili. In particolare, un ragionamento simile si applica anche al caso della rilevazione delle onde gravitazionali.”

È interessante notare che le idee introdotte da questi ricercatori sono probabilmente applicabili anche ad altri candidati a materia oscura ultraleggera. In futuro, il lavoro del team potrebbe contribuire all’introduzione di nuove tecniche per la rilevazione di assioni o altri candidati a materia oscura.

“Stiamo lavorando per sviluppare una descrizione completa, end-to-end e interamente quantistica, della rilevazione della materia oscura tramite assioni”, ha aggiunto Wang. “Vorremmo inoltre applicare questo quadro teorico alla ricerca di nuove tecniche quantistiche nella ricerca della materia oscura.”

Astratto

Il trattamento usuale della materia oscura assionica come campo classico è affidabile? Mostriamo che la risposta è complessa: il campo assionico potrebbe benissimo trovarsi in uno stato quantistico privo di una descrizione classica completa, ma i rivelatori realistici non sono in grado di distinguerlo. Per dimostrarlo, risolviamo un modello completamente quantistico di rivelazione assionica utilizzando tecniche di ottica quantistica. Mostriamo che gli effetti intrinsecamente quantistici vengono annullati dalla media dei modi o da piccole quantità di rumore, e significativamente soppressi dalla debolezza dell’accoppiamento assionico. La nostra lettera esemplifica il fatto che dovrebbe sempre esistere un analogo classico per gli effetti della materia oscura assionica, estende il concetto ad altri candidati di materia oscura ondulatoria (ultraleggera) e fornisce un metodo generale per calcolare gli effetti di stati esotici di materia oscura.

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