Galaxy cluster Abell 1689 seems to be held together by swaths of unseen dark matter; blue shows its theoretically inferred location. But could dark matter be an illusion? Credit: NASA

I ‘sapori’ della materia scura

Secondo i dati più recenti, sappiamo che oltre l’80% della materia presente nell’Universo è sconosciuta. Ad essa, gli astronomi danno il nome di materia scura che finora nessuno è mai stato in grado di rivelarla nemmeno con i migliori rivelatori a terra. Nonostante ciò, l’unica risorsa che ci permette di determinare la sua presenza è data dalle osservazioni astronomiche. Oggi, però, il fisico Mikhail Medvedev della University of Kansas ha pubblicato un importante articolo di ricerca che si è meritato la copertina della prestigiosa rivista Physical Review Letters. Lo scienziato propone un modello alternativo che tenta di spiegare la natura dell’enigmatica materia scura denominato “flavor-mixed multicomponent dark matter model”.
L’immagine illustra gli effetti dell’evaporazione quantistica. Credit: M. Medvedev/University of Kansas

Gli scienziati sono sempre più convinti che abbiamo a che fare con un tipo di particella elementare sconosciuta che sta al di fuori del modello standard. L’idea di Medvedev si basa sulle proprietà delle particelle che sono state osservate o teorizzate. Secondo il modello standard, le particelle elementari, che sono categorizzate come quark, leptoni e bosoni di gauge, costituiscono i mattoni fondamentali della materia. Le proprietà, o meglio, i “sapori” associati ai quark e ai leptoni tendono a modificarsi poichè essi si possono combinare l’un l’altro a seguito di un fenomeno noto come “flavor-mixing“, che dà luogo ad una sorta di ‘miscela di sapori’. Una tale particella ibrida risulta strana in quanto ha diverse masse contemporaneamente e ciò determina una serie di effetti insoliti e allo stesso tempo affascinanti. Medvedev paragona questa particolare miscela di sapori alla luce bianca che, come sappiamo, contiene diversi colori che vediamo di solito nell’arcobaleno. In altre parole, se il colore bianco corrisponde ad un sapore, segue che al rosso, al verde e al blu corrispondono diverse masse che mescolandosi insieme formano il bianco. E così via. Cambiando le proporzioni del rosso, del verde e del blu nella miscela, si possono creare colori, o sapori, diversi rispetto al bianco. Dunque, anche le particelle candidate di materia scura, come i neutralini, gli assioni o i neutrini sterili, dovrebbero comportarsi allo stesso modo. “Esistono dei particolari candidati di cui i fisici parlano sempre“, spiega Medvedev. “Abbiamo scoperto che ‘particelle di diversi sapori’ possono ‘evaporare quantisticamente’ dalla buca di potenziale gravitazionale nel caso in cui esse vengono, per così dire, ‘scosse’, ossia quando interagiscono. Questo è un risultato importante. E’ un pò come se una astronave costituita da materiale di diversi ‘sapori’ che sfreccia su una autostrada andasse in orbita senza aver bisogno di un particolare meccanismo di accelerazione, come ad esempio dei razzi vettori”. Ora, inserendo questo processo di evaporazione quantistica in un codice numerico, Medvedev ha realizzato una serie di simulazioni utilizzando macchine ad alta prestazione, sostanzialmente il Trestles messo a disposizione dal San Diego Supercomputer Center e il Ranger che si trova presso il Texas Advanced Computing Center. Per ogni simulazione sono stati utilizzati oltre mille processori e un tempo di calcolo pari a  circa una settimana. Secondo lo scienziato, la materia scura può interagire molto debolmente con la materia ordinaria ed è questo il motivo per cui non è stata rivelata nei vari esperimenti sparsi in tutto il mondo. In tal senso, i fisici hanno sviluppato un modello cosmologico, detto modello Lambda-CDM, in cui la materia scura si presume che non interagisca completamente, sia ‘fredda’ (cioè le particelle si muovono a basse velocità) e dove esista una costante cosmologica (cioè la famigerata densità di energia del vuoto). Ma questo modello non è stato sempre concorde con le osservazioni fino a questa nuova ipotesi. Insomma, pare che i risultati ottenuti dal modello di Medvedev che descrive la materia scura ‘a due-componenti con sapori diversi’ risolvano contemporaneamente tutti i principali dubbi che emergono dal modello cosmologico Lambda-CDM.

University of Kansas: Researcher advances a new model for dark matter
arXiv: Cosmological Simulations of Multi-Component Cold Dark Matter