Interazioni inesplorate tra elettroni e nuclei atomici gettano luce sulla materia oscura

Le particelle di materia oscura potrebbero fungere da mediatori nell’interazione tra elettroni e nuclei atomici, come dimostrato da uno studio condotto dal responsabile del gruppo di ricerca, il dott. Konstantin Gaul, dal dott. Lei Cong e dal professor Dmitry Budker dell’Università Johannes Gutenberg di Magonza (JGU), dell’Istituto Helmholtz di Magonza (HIM) e del Cluster di Eccellenza PRISMA++. Il loro lavoro, pubblicato la scorsa settimana su Physical Review Letters , presenta nuovi vincoli su candidati finora inesplorati per la materia oscura e, più in generale, su alcune particelle ipotetiche non incluse nel Modello Standard della fisica delle particelle (SM).

Utilizzando i risultati di misurazioni di precisione su molecole di monofluoruro di bario (BaF), il team ha vincolato per la prima volta queste interazioni mediate dai bosoni Z’. I bosoni Z’ sono ipotetici mediatori dell’interazione debole e possibili particelle di materia oscura in diverse estensioni del Modello Standard. “Questi risultati colmano una lacuna significativa nella fisica: un regime di forze tra elettroni e nuclei che era rimasto inesplorato sia dagli esperimenti di laboratorio che dai dati cosmologici”, ha spiegato Gaul.

Il nostro universo è composto per circa il 4% da materia visibile, o ordinaria. Questa include pianeti, stelle e la vita sulla Terra. Il restante 96% dell’universo è invisibile ed è costituito da materia oscura ed energia oscura, con la materia oscura che rappresenta circa il 23%. Le osservazioni astrofisiche ne confermano la presenza in tutto il cosmo, dove, ad esempio, svolge un ruolo importante nella struttura delle galassie. Tuttavia, non sappiamo da quali particelle sia composta la materia oscura. Molte teorie ed esperimenti in corso sono alla ricerca di una risposta a questo interrogativo ancora aperto.

Un approccio interdisciplinare a una questione fondamentale nella fisica delle particelle.

Per determinare il contributo dei bosoni Z’ all’interazione tra elettroni e nuclei, che dà origine alla cosiddetta struttura iperfine degli atomi, gli autori hanno utilizzato il supercomputer MOGON 2 della JGU per reinterpretare i risultati esistenti di misurazioni di precisione su molecole di BaF. Questo studio ha richiesto non solo una buona conoscenza dell’interazione debole e delle proprietà di questi bosoni oltre il Modello Standard, ma anche una solida base di fisica atomica, molecolare e nucleare, rendendolo un progetto veramente interdisciplinare.

“Konstantin Gaul e Lei Cong sono teorici di nuova generazione che lavorano all’interfaccia tra fisica atomica, molecolare e ottica, fisica delle particelle e fisica nucleare”, ha affermato Budker. “Avere la loro presenza in un gruppo prevalentemente sperimentale all’interno di HIM e PRISMA++ ha portato a collaborazioni estremamente produttive e a risultati molto interessanti e importanti, di cui questo lavoro è solo un esempio.”

Nella ricerca di una “nuova fisica”, un simile approccio potrebbe far luce su questioni di vecchia data. Come spiegò Gaul, “Poiché il denso ambiente interno delle molecole polari amplifica naturalmente gli effetti fisici più sottili, esse fungono da potenti laboratori per rilevare nuove forze che altrimenti sarebbero invisibili alla scienza”.

Lo studio ha inoltre riscontrato limiti simili analizzando l’esperimento con l’atomo di cesio 133, un metodo più tradizionale per studiare le interazioni tra elettroni e nuclei atomici. Tuttavia, a differenza degli studi sugli esperimenti con gli atomi, l’analisi delle molecole biatomiche, come BaF, attualmente non dipende dalla teoria nucleare. Ciò significa che, non essendo influenzate dalle incertezze legate alla fisica nucleare, i risultati possono essere più precisi.

“Lo studio attuale dimostra che le misurazioni della fisica molecolare sono uno strumento emergente per la nuova fisica, in grado di competere con i metodi atomici tradizionali. I nostri risultati dimostrano che futuri esperimenti con specie biatomiche pesanti come BaF aumenteranno la sensibilità di 100 volte, spingendosi più a fondo in territori inesplorati alla ricerca delle forze nascoste dell’universo”, ha concluso Gaul.

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