Da un fotone che non avrebbe dovuto raggiungere la Terra un indizio sulla materia oscura?

Un solo fotone potrebbe risolvere uno degli enigmi più appassionanti dell’astrofisica ovvero la materia oscura. Una particella di luce di altissima energia arrivata sulla Terra il 9 ottobre scorso, con il più potente lampo di raggi gamma finora osservato potrebbe essere la chiave di questo mistero scientifico.

L’ipotesi è del gruppo italiano composto da Istituto Nazionale di Astrofisica e Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ed è pubblicata su Physical Review Letters. Secondo le teorie correnti, quella particella di luce (fotone) non avrebbe mai dovuto arrivare sulla Terra e per spiegare il fenomeno i ricercatori italiani propongono un’interpretazione secondo cui quel fotone si sarebbe trasformato in un’ipotetica particella chiamata Alp (axion-like particle), prevista dalla teoria delle stringhe.

Un solo fotone -come riporta l’Ansa – potrebbe così mettere in crisi gli attuali modelli astrofisici sulla propagazione dei raggi gamma. L’evento nel quale è stato osservato è stato chiamato ‘Boat (acronimo di brightest of all time, ovvero il più luminoso di tutti i tempi) ed è il lampo di raggi gamma GRB 221009A, emesso da una galassia distante oltre due miliardi di anni luce. Tra i fotoni che l’hanno accompagnato, osservato dal rivelatore cinese Lhaaso, uno aveva un’energia di 18 TeV, la più alta mai registrata da un lampo di raggi gamma.

“Pochi minuti dopo aver avuto notizia dell’esplosione, abbiamo intuito che questo lampo di raggi gamma non solo poteva essere un evento astrofisico straordinario, ma poteva anche rappresentare un’opportunità unica per studi di fisica fondamentale, in particolare riguardo alle axion-like particles”, osserva il primo autore dell’articolo, Giorgio Galanti dell’Inaf. Gli altri autori sono Lara Nava, Marco Roncadelli, Fabrizio Tavecchio e Giacomo Bonnoli.

Secondo l’ipotesi avanzata dal gruppo di ricerca, il fotone potrebbe essere un ‘trasformista’, ossia una particella capace di cambiare natura, oscillando da una ‘personalità’ all’altra mentre viaggia alla velocità della luce. Fra queste personalità alternative potrebbero esserci le Alp oppure gli assioni, entrambe candidate per costituire la materia oscura fredda e capaci di fare cose che un fotone non sarebbe in grado di fare, come attraversare indenne la luce di fondo extragalattica (Ebl, ossia la luce emessa da tutte le stelle durante evoluzione dell’universo.

Quando un fotone ad alta energia urta un fotone dell’Ebl è probabile che si formi una coppia elettrone-positrone che fa scomparire il fotone di alta energia. Questo effetto diventa progressivamente più importante al crescere dell’energia e della distanza, di conseguenza nessun fotone legato al lampo di raggi gamma del 9 ottobre avrebbe potuto raggiungere la Terra. Ma non è stato così. “Secondo la nostra ipotesi, in presenza di campi magnetici, i fotoni si tramutano in Alp e viceversa, rendendo così possibile raggiungere la Terra a un maggior numero di fotoni, perché le Alp sono invisibili ai fotoni del fondo extragalattico”, osserva Marco Roncadelli, ricercatore associato di Infn e Inaf. Per dare solidità a questa ipotesi serviranno altre osservazioni e saranno per questo di grande aiuto i nuovi osservatori astrofisici per alte energie, come il Cta e l’italiano Astri, in arrivo nei prossimi anni.

Lo studio