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

Alla ricerca di materia scura ‘leggera’

Una delle domande che può sembrare in prima battuta paradossale è se le particelle che compongono la materia scura possono essere “leggere”. Oggi, tutta una serie di rivelatori sempre più sensibili, dati sperimentali e nuove teorie che tentano di far luce su questa enigmatica componente dell’Universo stanno guidando la ricerca verso queste candidate super-leggere, che potrebbero avere una massa persino inferiore a quella del protone.

Le ipotetiche WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) sono quelle particelle maggiormente candidate in quanto descrivono molto bene alcuni dei principali modelli della materia scura. Gli scienziati si aspettano che la loro massa si trovi attorno a 100 GeV, circa 100 volte la massa del protone. Il fatto che non sono state ancora rivelate da vari esperimenti, che hanno esplorato un intervallo di masse da 10 GeV a 1000 Gev, ha aperto una nuova finestra verso teorie alternative non solo sulle WIMP ma anche su altre candidate. Alcuni segnali registrati a bassa energia dagli esperimenti CoGeNT negli USA (arXiv) e DAMA/LIBRA in Italia, così come altri segnali registrati nello spazio dal telescopio spaziale della NASA Fermi provenienti dal centro galattico, hanno spinto i fisici a spostarsi al di sotto degli 11 GeV. Queste eventuali particelle di bassa energia si possono pensare come delle WIMP più leggere o “wimpier” oppure potrebbero essere un diverso tipo di particelle: stiamo parlando di materia scura “leggera”. I ricercatori dell’esperimento SuperCDMS, situato in un laboratorio sotterraneo del Minnesota negli USA, hanno creato una sorta di “ricerca speciale”, chiamata CDMSlite (arXiv), che permette ai rivelatori di essere sensibili alle particelle che hanno una massa al di sotto di 5 GeV. Con i successivi aggiornamenti del sistema dei rivelatori, il metodo CDMSlite dovrebbe essere in grado di rivelare eventuali particelle con una massa 50 volte inferiore a questa soglia. Lo scorso Settembre, la collaborazione CDMS ha pubblicato i risultati che restringono i parametri utilizzati per cercare le WIMP-leggere nell’intervallo di massa 1,6-5,5 GeV. Inoltre, sempre nello stesso mese, i fisici dell’esperimento CRESST al Gran Sasso (Italia) hanno pubblicato altri dati che esplorano, per la prima volta, un dominio di masse al di sotto di 0,5 GeV (vedasi CRESST va a caccia di ‘pesi piuma’). Altri esperimenti, quali LUX situato presso la Sanford Underground Research Facility nel South Dakota (USA), EDELWEISS situato presso il Modane Underground Laboratory in Francia e DAMIC presso il laboratorio SNOLAB in Canada, stanno lavorando per rivelare particelle “leggere” di materia scura. Moltri altri esperimenti, sia da terra che dallo spazio e lo stesso Large Hadron Collider (LHC), stanno dando il loro contributo ad una caccia globale che ha lo scopo di trovare qualsiasi traccia o indizio che porti all’identificazione di candidati più “leggeri”. “Questa ricerca si è allargata in molte direzioni”, spiega David Kaplan, un fisico alla Johns Hopkins University. “È stato fatto un incredibile progresso in quanto gli scienziati hanno letteralmente guadagnato oltre 10 ordini di grandezza in termini di sensibilità sin dai primi esperimenti che sono stati dedicati principalmente alla ricerca delle WIMP. In un certo senso, le WIMP rappresentano la possibilità più ‘noiosa’. E se poi le scarteremo, allora sarà un risultato davvero interessante”. “La ricerca di particelle leggere di materia scura”, dice Peter Graham un fisico della Stanford University, “è particolarmente interessante perchè qualsiasi scoperta in questo settore potrebbe occultare le teorie della fisica classica. E se poi le troveremo, non sarà certamente nell’ambito del modello standard”.

Gli esperimenti che cercano particelle di materia scura leggere lavorano insieme in modo da vedere attraverso il “rumore” dovuto alle particelle di fondo che potrebbero oscurare il segnale”, aggiunge Dan Bauer, portavoce della collaborazione SuperCDMS. “Si tratta di un lavoro collaborativo e allo stesso tempo competitivo. Condividiamo tutti l’informazione scientifica”. Durante i prossimi mesi, i fisici raccoglieranno nuovi risultati dagli esperimenti CDMSlite e CRESST. “Un aggiornamento, attualmente in corso, permetterà di spostare i limiti inferiori dei rivelatori CRESST a circa 0,1-0,2 GeV”, dice Federica Petricca, ricercatrice al Max Planck Institute for Physics e portavoce dell’esperimento. “La comunità ha imparato ad essere un po’ più aperta e a non focalizzarsi più su un determinato intervallo di masse. Credo che ciò sia interessante anche perchè ha introdotto la necessità di elaborare altri modelli senza limitarsi solamente a qualcuno in particolare”. I ricercatori sono inoltre in attesa dei risultati di un prossimo esperimento denominato DAMIC che ha lo scopo di cercare indizi di materia scura attraverso un insieme di speciali CCD, simili ai rivelatori di luce presenti nelle camere degli smartphone. “DAMIC è già in grado di cercare particelle che hanno una massa inferiore a 6 GeV”, dice Juan Estrada del Fermilab e portavoce dell’esperimento. “La versione successiva dell’esperimento, nota come DAMIC100, dovrebbe essere in grado di realizzare già delle misure al di sotto di 0,3 GeV una volta che sarà operativa nel 2016. Credo che sia di vitale importanza avere diversi esperimenti che analizzano lo stesso dominio di masse, perchè nel momento in cui un gruppo di ricercatori avrà trovato un segnale interessante, avremo la necessità di confermarlo con gli altri esperimenti”.

Symmetry Magazine: The light side of dark matter