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Materia scura: WIMP o SIMP?

La nostra attuale comprensione sulla composizione dell’Universo è basata sul fatto che la maggior parte della sua massa consiste di materia scura, lo ‘scheletro cosmico’ su cui sono distribuite le galassie e gli ammassi di galassie. Tra le sue proprietà, ricordiamo che la materia scura è fredda, massiccia, non ha colore né carica elettrica e può essere rivelata solamente mediante gli effetti gravitazionali che essa esercita sulla materia ordinaria e sulla radiazione.

Diverse sono le attuali teorie sulla materia scura. Ad esempio, una di esse ipotizza che si tratti di una “componente termica residua” risalente alle fasi primordiali della storia cosmica. Durante quell’epoca, le particelle si trovavano all’equilibrio termico finchè avvenne l’espansione dello spazio e il suo successivo abbassamento di temperatura. A quel punto, le interazioni tra le particelle diminuirono, causandone una sorta di “congelamento”, e mentre quelle più instabili scomparvero, le particelle più stabili raggiunsero una certa densità termica. In questo scenario, le particelle maggiormente candidate di materia scura sono le WIMPs, dall’acronimo inglese che sta per Weakly Interacting Massive Particles, cioè particelle massicce che interagiscono debolmente. Nonostante alcuni modelli che sono estensioni del modello standard includano tali particelle, finora nessuna di esse sembra possedere le proprietà delle WIMPs.

Oggi, però, alcuni ricercatori dell’University of California, a Berkeley, dell’University of Tel Aviv, in Israele, e dell’University of Stanford, hanno proposto un nuovo meccanismo per spiegare l’origine della materia scura fossile, i cui risultati sono pubblicati su Physical Review Letters. In altre parole, la materia scura emerge quando un “gruppo scuro”, quasi appartato, di particelle che non si accoppiano direttamente con quelle del modello standard, raggiunge l’equilibrio termico. Questo meccanismo si differenzia da quelli precedenti in quanto non propone più le particelle WIMPs bensì introduce particelle massicce che, però (e qui sta la differenza), interagiscono fortemente: si chiamano SIMPs (Strongly Interacting Massive Particles). Ma per avere le SIMPs sono necessari due ingredienti: (a) le particelle di materia scura devono interagire fortemente tra loro, un fatto cruciale per poter spiegare la percentuale di materia scura misurata oggi e (b) la materia scura deve interagire debolmente, ma non troppo debolmente, con la materia ordinaria (il che implica che essa possa ‘raffreddarsi’ senza annichilare in particelle ordinarie). Queste due caratteristiche fondamentali del meccanismo SIMP implicano la possibilità di misurare dei segnali caratteristici con vari esperimenti di frontiera che permetteranno di esplorare questo nuovo paradigma sia con i dati attuali ma soprattutto con quelli futuri. In più c’è da dire che questi segnali caratteristici non sono introdotti forzatamente nel modello ma emergono in maniera quasi naturale. Ad esempio, una delle previsioni legata all’autointerazione delle particelle di materia scura è data dalle forme distorte delle galassie, un risultato supportato dai dati. Ma anche la non trascurabile interazione tra la materia scura e quella ordinaria può determinare dei segnali misurabili in vari modi: (i) rivelazione diretta negli esperimenti di collisioni tra particelle; (ii) rivelazione indiretta, mediante i telescopi che misurano il flusso nei raggi-gamma; (iii) osservazioni cosmologiche che pongono dei limiti sulla radiazione cosmica di fondo e sulla nucleosintesi del Big Bang; (iv) acceleratori di particelle, come il Large Electron-Positron Collider (LEP) del CERN, dismesso nel 2000, dove le particelle SIMPs potrebbero essere state prodotte a seguito delle collisioni elettroni-positroni.

Physical Review Letters: Mechanism for Thermal Relic Dark Matter of Strongly Interacting Massive Particles
arXiv: The SIMPlest Miracle
arXiv: The SIMP Miracle