0460. Fotone oscuro

espertomini

Mi potrebbe dare notizie sul fotone oscuro? so che si svolgerà un esperimento a rigardo...in cosa consiste? e quando verra svolto? Cristian

 


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darmatterSolo il 4% del nostro Universo è costituito da materia ‘visibile’. Si pensa che il resto sia per i due terzi ‘energia oscura’ e per un terzo ‘materia oscura’ o Dark Matter (DM). Per lungo tempo la ricerca di DM si è concentrata sulla possibile esistenza di nuove particelle con massa elevata (10 GeV a 10 TeV) provenienti dal Cosmo, senza pero’ trovare una significativa evidenza sperimentale. Negli ultimi anni considerazioni teoriche hanno suggerito di estendere la ricerca a DM leggera ovvero con massa nell’intervallo 1 MeV - 10 GeV. La DM può essere prodotta nelle collisioni di fasci accelerati contro la materia ordinaria. In particolare, fasci intensi di elettroni con energia dieci volte la massa del protone, quando fermati nella materia, irraggiano fotoni, alcuni dei quali potrebbero convertirsi in una nuova particella, il fotone pesante (heavy photon) o oscuro (dark photon). In questo modello, il fotone oscuro sarebbe il mediatore di una nuova forza, attraverso la quale la DM interagirebbe con il mondo ordinario (Standard Model), così come il fotone lo e’ per la forza elettromagnetica. Il fotone oscuro potrebbe a sua volta decadere in una coppia di particelle di DM che possono essere rivelate con le tecniche standard utilizzate nella fisica nucleare e delle particelle. Naturalmente l’attuale assenza di evidenze sperimentali suggerisce che, se il modello fosse corretto, la DM dovrebbe avere un debolissimo accoppiamento con il mondo ordinario. La sua rivelazione richiede quindi esperimenti con fasci intensi in modo da avere una ragionevole probabilità di conversione e rivelatori di grande volume in modo da aumentare il numero di bersagli con cui la DM può interagire. Ricerche di candidati di materia oscura sono attualmente in svolgimento presso tutti i laboratori di fisica delle particelle del mondo. Presso il Jefferson Lab gli esperimenti Heavy Photon Search (HPS), A-Prime EXperiment (APEX) e Dark Light cercano il fotone oscuro prodotto nell'interazione di un fascio di elettroni con la materia con successivo decadimento in coppie di elettroni/positroni. PADME presso il Laboratori Nazionali di Frascati utilizza invece un fascio di positroni che, interagendo con gli elettroni atomici, annichilano e potrebbero produrre una coppia fotone (normale) - fotone pesante. Alcuni di questi esperimenti hanno già collezionato dati pubblicando i primi risultati delle loro ricerche in cui non si evidenzia alcun segnale di materia oscura leggera. Altre proposte sono state presentate ai laboratori di SLAC, CERN, Mainz, Cornell, Novosibirsk. Un'altra tecnica sperimentale riguarda invece la misura dei prodotti di decadimento dei mesoni che vengono generati negli esperimenti di alta energia. In questo caso, si sfrutta il fatto che le particelle create per un brevissimo tempo nelle interazioni ad alta energia decadono attraverso una sequenza di decadimenti in particelle stabili, tra cui i fotoni. Qualsiasi ambiente ricco di fotoni potrebbe ospitare qualche raro caso di fotone pesante. I dati raccolti nel passato da molti esperimenti eseguiti presso il CERN, LNF, SLAC sono stati analizzati in questo spirito e, seppure non hanno fornito alcuna evidenza della presenza del fotone oscuro, hanno prodotto comunque limiti sulla probabilità della sua esistenza. Nell'arco dei prossimi 5-10 anni si avranno i risultati di molti esperimenti attualmente in fase di esecuzione (o appena proposti) che potranno confermare o meno l'ipotesi dell'esistenza di una nuova interazione fondamentale (la quinta) e del suo mediatore (il fotone oscuro).

 

Guarda anche il percorso "Alla Ricerca della Materia Oscura"

 

Marco Battaglieri, fisico

 

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ultimo aggiornamento febbraio 2017