La materia oscura, lo sapete, rappresenta circa l’85% di tutta la materia nell’universo: ma nessuno l’ha mai vista direttamente. Ora un gruppo di fisici dell’Università di Cincinnati, del Fermilab e del MIT propone un luogo inaspettato dove cercarla: le pareti di un reattore a fusione nucleare. Secondo il loro studio, pubblicato sul Journal of High Energy Physics, i neutroni ad alta energia prodotti dalla fusione deuterio-trizio potrebbero generare assioni (i principali candidati per la materia oscura) colpendo il rivestimento di litio del reattore. Nel plasma? No. Sulle pareti.
Il problema è vecchio, la materia oscura no
Il fatto è questo: sappiamo che la materia oscura esiste perché le galassie ruotano troppo velocemente, gli ammassi cosmici restano insieme contro ogni previsione e l’universo ha una struttura che senza di lei non starebbe in piedi. Le stime più solide dicono che oltre l’80% della materia è oscura. Ecco, il candidato principale per spiegarla si chiama assione: una particella ipotetica, leggerissima (miliardi di volte più leggera di un elettrone) e che interagisce pochissimo con qualsiasi cosa. Proprio il coinquilino perfetto: c’è, ma non lo vedi mai.
Per decenni i fisici hanno cercato gli assioni ovunque: nei campi magnetici delle stelle di neutroni, negli elioscopi puntati verso il sole, nelle collisioni del Large Hadron Collider al CERN. Niente. La materia oscura resta lì, e continua a tenere insieme l’universo senza farsi trovare. E allora dove? Dove cercare?
La materia oscura potrebbe nascere nei muri
La svolta (almeno teorica) arriva da un’intuizione del fisico Jure Zupan e del suo team. Invece di cercare la materia oscura nello spazio o nel cuore incandescente di un reattore, hanno guardato dove nessuno guardava: le pareti. Nei reattori a fusione deuterio-trizio come ITER (il gigantesco esperimento in costruzione a Cadarache, nel sud della Francia) enormi quantità di neutroni ad alta energia colpiscono un rivestimento di litio progettato per rigenerare il trizio, il combustibile della fusione.
Quelle collisioni eccitano i nuclei atomici del litio e dell’acciaio nelle pareti. Quando i nuclei si rilassano, di solito emettono raggi gamma. Ma se gli assioni esistono, in alcuni casi rarissimi potrebbero essere emessi al posto dei fotoni. E qui la cosa diventa interessante: essendo particelle che non interagiscono quasi con nulla, gli assioni attraverserebbero schermature e strutture come se non ci fossero, arrivando all’esterno del reattore.
Scheda dello Studio
- Enti di ricerca: University of Cincinnati, Fermilab, MIT, Technion-Israel Institute of Technology
- Ricercatori principali: Baruch, Fitzpatrick, Menzo, Soreq, Trifinopoulos, Zupan
- Anno pubblicazione: 2025
- Rivista: Journal of High Energy Physics
- DOI: 10.1007/JHEP10(2025)215
- TRL: 1-2 — Ricerca teorica, proof of concept su carta
Due strade per creare materia oscura
I ricercatori hanno individuato due meccanismi. Il primo: quando un neutrone viene catturato da un nucleo nelle pareti, il nucleo si eccita e nel rilassarsi potrebbe emettere un assione invece di un fotone. Il secondo passa per la cosiddetta bremsstrahlung (radiazione di frenamento): quando un neutrone rimbalza su un’altra particella e rallenta bruscamente, l’energia rilasciata potrebbe generare assioni o particelle simili.
Attenzione: il flusso di neutroni in un reattore a fusione è circa cento volte più intenso di quello di un reattore a fissione di potenza equivalente. Questo significa che anche processi estremamente rari diventano (forse) osservabili. L’idea dei ricercatori è posizionare rivelatori a una decina di metri dal reattore, abbastanza lontani dal rumore di fondo dei neutroni ma sufficientemente vicini da intercettare un eventuale segnale. Una delle proposte più concrete prevede vasche di acqua pesante: se un assione colpisse un nucleo di deuterio, potrebbe spezzarlo in un protone e un neutrone, lasciando una firma riconoscibile.
Sheldon Cooper guardava nel posto sbagliato
Nota a margine che vale la pena raccontare: nella quinta stagione di The Big Bang Theory, Sheldon Cooper e Leonard Hofstadter provano a risolvere esattamente questo problema (produrre assioni in un reattore a fusione) in tre episodi. Non ci riescono. Gli autori dello studio lo citano con una certa soddisfazione accademica nelle note del paper. Il punto è che i personaggi della sitcom cercavano la materia oscura nel plasma. Zupan e colleghi hanno capito che la risposta stava nelle pareti.
Siamo ancora nel territorio delle ipotesi teoriche (e serve dirlo con chiarezza). Molte reazioni nucleari nei materiali dei reattori non sono conosciute nel dettaglio, serviranno simulazioni specifiche per ogni impianto e rivelatori di sensibilità estrema in ambienti ad alta radiazione di fondo. Non è cosa da domani. Ma l’idea di trasformare un reattore a fusione in un laboratorio di fisica fondamentale (senza costi aggiuntivi significativi) ha una sua eleganza che la rende difficile da ignorare.
Approfondisci
Ti interessa la materia oscura? Leggi anche lo studio che la spiega con una quarta dimensione. Oppure scopri perché la fusione nucleare non è ancora realtà per capire a che punto siamo con ITER e i reattori di nuova generazione.
Mi chiedo se tra vent’anni guarderemo indietro a questo paper come al momento in cui qualcuno ha avuto l’idea giusta nel posto sbagliato. O se resterà una di quelle intuizioni brillanti che la realtà si incarica di ridimensionare. In entrambi i casi, il fatto che le macchine costruite per dare energia al pianeta possano anche raccontarci di cosa è fatto l’universo… ecco, è una di quelle cose che rendono la fisica una disciplina con un certo senso dell’umorismo.
