Infrared Lines from Sterile-Neutrino Transition Magnetic Moments at JWST

Da decenni, gli astronomi sanno che l'universo è pieno di molta più materia di quanta ne possiamo vedere. Questa sostanza invisibile, nota come materia oscura, tiene insieme le galassie e modella la ragnatela cosmica, eppure si rifiuta di rivelare la sua vera natura. Mentre molte teorie suggeriscono che la materia oscura sia perfettamente stabile e non cambi mai, altre propongono che possa stare lentamente svanendo, trasformandosi in particelle ordinarie nel corso di miliardi di anni. Se questo lento decadimento accadesse, potrebbe lasciare dietro di sé una firma debole e specifica: un singolo colore di luce, come un piccolo, invisibile segnale luminoso, emesso mentre la materia oscura si decompone. Trovare questa luce sarebbe una scoperta monumentale, offrendo uno sguardo diretto sulla fisica delle particelle che governa l'universo invisibile.

Un team di ricercatori ha ora rivolto il telescopio a infrarossi più potente mai costruito verso il cielo oscuro per dare la caccia a questi deboli segnali. Utilizzando il Telescopio Spaziale James Webb, hanno cercato un tipo molto specifico di luce che potrebbe essere prodotta da una forma ipotetica di materia oscura chiamata neutrino sterile. A differenza dei neutrini che conosciamo, che interagiscono con altre particelle, i neutrini sterili sono spettrali e toccano appena qualsiasi altra cosa. I ricercatori si sono concentrati su uno scenario in cui un neutrino sterile più pesante decade in uno più leggero, rilasciando un fotone, o particella di luce, nel processo. Il tocco unico in questa teoria è che l'energia della luce rilasciata non dipende dal peso totale della materia oscura, ma dalla minuscola differenza di peso tra le versioni pesante e leggera. Ciò significa che anche se le particelle di materia oscura fossero relativamente pesanti, la luce che emettono potrebbe avere un'energia molto bassa, atterrando nella parte dell'infrarosso in cui il telescopio eccelle.

Il team ha analizzato i dati di una porzione di cielo vuoto vicino a una galassia lontana, una regione scelta perché libera dalla polvere e dalle stelle luminose che di solito intasano la nostra vista del cosmo. Hanno cercato un picco netto e stretto nella luce infrarossa che risaltasse contro il bagliore naturale e fluido dell'universo di fondo. Modellando attentamente il fondo e cercando qualsiasi eccesso inaspettato di luce, si sono posti l'obiettivo di determinare se tale segnale esista. Non hanno trovato un rilevamento confermato di questo decadimento. Invece, il loro lavoro ha stabilito i limiti più severi finora raggiunti su quanto spesso questo processo possa accadere. Hanno calcolato che, se questi neutrini sterili costituiscono tutta la materia oscura nella nostra galassia, il tasso con cui decadono deve essere incredibilmente lento, e la forza dell'interazione magnetica che permette loro di decadere deve essere più debole di una soglia specifica e minuscola.

In aggiunta al test dell'idea del neutrino sterile, i ricercatori hanno anche controllato un altro tipo di candidato alla materia oscura noto come Majorone, che decadrebbe scindendosi in due fotoni. Questa ricerca è servita come confronto per dimostrare che i loro metodi potrebbero funzionare per vari tipi di particelle invisibili. Anche in questo caso, non è stato trovato alcun segnale, ma il team è stato in grado di escludere una vasta gamma di possibilità su quanto fortemente queste particelle potrebbero interagire con la luce. I risultati mostrano che il Telescopio Spaziale James Webb è un potente nuovo strumento per la caccia alla materia oscura, capace di sondare una regione della fisica che i telescopi a raggi X e gli esperimenti di laboratorio non possono raggiungere. Guardando a queste deboli linee infrarosse, lo studio dimostra che possiamo ora testare le idee sull'universo invisibile con una precisione che prima era impossibile, restringendo il campo verso la comprensione di ciò che la materia oscura sia veramente.