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Idee sulla materia scura

È passato quasi un secolo da quando negli anni ‘30 un astronomo di origine svizzera, Fritz Zwicky, utilizzò per la prima volta il termine “materia scura”, quell’enigmatica componente che costituisce circa un quarto del contenuto materia-energia dell’Universo e che finora sfugge a qualsiasi spiegazione scientifica. I fisici possono misurare i suoi effetti gravitazionali sul moto delle galassie e degli altri oggetti celesti ma ciò di cui è fatta rimane ancora un mistero. Per arrivare ad una soluzione, gli scienziati hanno introdotto diverse ipotesi e un modo univoco per ognuna di esse allo scopo di rivelare le particelle che la compongono. Alcune idee sono emerse a seguito di una serie di tentativi per risolvere altri problemi di fisica fondamentale, altre stanno spingendo i limiti della nostra conoscenza verso ciò che si ritiene possa essere, o non essere, in definitiva la materia scura. Dunque, la domanda è: cosa potrebbe essere la materia scura? Vediamo qui di seguito un breve stato dell’arte sulle particelle maggiormente candidate.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
WIMP

Il termine WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) racchiude un insieme di particelle maggiormente candidate per la materia scura. Queste ipotetiche particelle dovrebbero avere una massa da circa 1 a 1000 volte la massa del protone e dovrebbero interagire le une con le altre solo attraverso l’interazione debole, cioè la forza responsabile del decadimento radioattivo. Tuttavia, alcuni studi recenti hanno fatto emergere alcuni dubbi sulla loro esistenza. Nonostante gli scienziati siano impegnati in una grande caccia a queste particelle con esperimenti da terra e dallo spazio, tra cui quelli che vengono condotti anche al Large Hadron Collider (LHC), le WIMP non si sono ancora mostrate. Ciò rende la ricerca del loro intervallo di massa, intensità dell’interazione e di altre proprietà ancora più difficili da individuare. Se le WIMP non saranno rivelate, allora si dovranno cercare nuove soluzioni al mistero della materia scura, chiudendo così un capitolo che ha dominato per molti anni gli studi nell’ambito di questa affascinante ricerca.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Neutrini sterili

I neutrini sono particelle quasi senza massa che si trasformano da un tipo all’altro e possono propagarsi in linea retta attraversando un intero pianeta senza mai interagire. Nonostante essi siano alquanto strani, i neutrini potrebbero avere una controparte ancora più strana, nota come neutrino sterile. Queste particelle estremamente elusive sarebbero così poco reattive che occorrerebbe l’intera età dell’Universo affinchè una di esse sia in grado di interagire con un altro pezzettino di materia. Se i neutrini sterili sono davero i costituenti della materia scura, allora la loro riluttanza ad interagire potrebbe rappresentare una sorta di fallimento per i fisici che sperano, un giorno, di rivelarli. Ma, forse, è possibile che queste particelle decadano in qualcosa d’altro che possiamo facilmente identificare: stiamo parlando di fotoni o di altre particelle di luce. L’anno scorso, alcuni rivelatori posti nello spazio hanno permesso di rivelare un segnale costante con l’energia predetta per il decadimento di neutrini sterili che provengono dalle regioni centrali degli ammassi di galassie (arXiv). Il segnale, però, potrebbe originarsi da una sorgente diversa, come ad esempio ioni di potassio (arXiv). Si spera che il telescopio giapponese ASTRO-H, avendo una migliore capacità esplorativa in termini di energia, potrà porre fine a questo dibattito.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Neutralini

L’esempio canonico di una particella WIMP, nota con il termine neutralino, emerge dalla supersimmetria. La teoria afferma che per ogni particella nota esiste una “superparticella” che aiuta a riempire, per così dire, alcune lacune presenti nel modello standard, anche se queste superparticelle sono sfuggite fino ad oggi alle osservazioni. Alcune di loro, come le partner del fotone e del bosone Z, hanno proprietà simili alla materia scura. In altre parole, la materia scura potrebbe essere una sorta di “miscela” di queste particelle supersimmetriche e quella che sarebbe più facilmente osservabile è, per l’appunto, il neutralino. Individuare un neutralino risolverebbe due grossi problemi: da un lato, ci direbbe qual è l’identità della materia scura e dall’altro ci darebbe una prova dell’esistenza della supersimmetria. Tutto questo, però, lascerebbe i fisici con un paradigma legato alla mancanza di tutte le altre particelle supersimmetriche.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Materia scura asimmetrica

Subito dopo il Big Bang, materia e antimateria interagirono così violentemente che alla fine le continue annichilazioni lasciarono, in qualche modo, solo la materia ordinaria. Ma non c’è nulla nel modello standard che ci dice che deve essere così. Materia e antimateria sarebbero dovute esistere in quantità eguali, annichilando l’una con l’altra, dando luogo ad un Universo vuoto. Ma sappiamo che non è così e gli scienziati non sanno ancora spiegare le ragioni del perchè l’Universo sia stato alla fine dominato dalla materia, un problema noto come asimmetria barionica. Ora, nell’ambito della teoria del neutralino, che include la proprietà secondo cui queste particelle sono le loro stesse antiparticelle, una nuova idea, nota come materia scura asimmetrica (arXiv), propone che le particelle di antimateria scura siano state distrutte dalle rispettive controparti di materia scura, lasciando solo la materia scura presente oggi nell’Universo. Trovare, perciò, materia scura asimmetrica potrebbe aiutare i fisici non solo a rispondere alla domanda su quale sia la sua natura ma anche al perchè siamo qui a cercarla (vedasi Materia scura intrappolata nel Sole?).

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Assioni

Dato che la ricerca delle WIMP presenta delle difficoltà, i fisici stanno guardando più da vicino ad un’altra particella che sta generando un particolare entusiasmo: stiamo parlando dell’assione. Di per sè, l’assione non è una particella nuova. I fisici immaginarono la sua esistenza già negli anni ’80, ossia subito dopo che Helen Quinn e Roberto Peccei proposero una teoria che fu di particolare importanza in quanto permise di risolvere un problema con l’interazione nucleare forte. Tuttavia, anche se ha fatto parte delle particelle candidate per la materia scura per tanti anni, i ricercatori non sono stati ancora in grado di rivelare l’assione. Oggi, l’esperimento ADMX (Axion Dark Matter Experiment) sta cercando assioni sfruttando un forte campo magnetico che converta queste ipotetiche particelle in fotoni rivelabili. Allo stesso tempo, i teorici stanno iniziando ad immaginare nuovi tipi di assioni e altri metodi per catturarli.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Materia scura specchio

Un po’ come strani oggetti e creature abitano il mondo al di là del vetro su cui si specchia Alice, la materia scura potrebbe esistere in un mondo interamente separato, costituito dalle proprie versioni delle particelle elementari. Questi protoni e neutroni “scuri” non interagirebbero mai con il nostro mondo, salvo attraverso la gravità, esercitando una attrazione sulla materia nel nostro mondo senza lasciare alcuna traccia. Nonostante sia alquanto elegante, la teoria lascia poche speranze ai tentativi di rivelare la materia scura. Ma esistono degli indizi sul fatto che i cosiddetti fotoni scuri possano trasformarsi in fotoni ordinari, un po’ come i neutrini oscillano cambiando “sapore”. Tutto ciò ha fatto partire una serie di iniziative atte a dare la caccia a queste particelle misteriose.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Materia scura extra dimensionale

Se la materia scura non esiste affatto in un altro mondo, allora potrebbe essere presente in una quarta dimensione spaziale che non può essere vista o rivelata dagli esperimenti. Tale dimensione sarebbe troppo piccola per osservare i movimenti di una particella. Invece, potremmo vedere particelle multiple con la stessa carica ma con masse differenti, un’idea proposta negli anni ’20 da Theodor Kaluza e Oskar Klein. Una di queste particelle potrebbe essere quella della materia scura, un concetto che è stato sviluppato di recente ed è noto come materia scura di Kaluza-Klein (arXiv; a review at CERN) . Secondo la teoria, queste ipotetiche particelle non dovrebbero emettere o riflettere alcuna luce, il che spiegherebbe come mai la materia scura non può essere vista da nessuno nelle nostre tre dimensioni. Confermare il fatto che la materia scura esista in un’altra dimensione potrebbe inoltre supportare la teoria delle stringhe che, come è noto, richiede l’esistenza di dimensioni extra.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
SIMP

Sebbene i fisici non abbiano mai rivelato le particelle di materia scura, grazie alle osservazioni delle galassie essi sanno quanta ne esiste là fuori. Ma le osservazioni delle regioni centrali delle galassie non concordano con alcune simulazioni numeriche, il che rappresenta un vero e prorio puzzle a cui fisici e astronomi stanno tuttora lavorando. In queste simulazioni si assume spesso che la materia scura non interagisca con sè stessa, ma non c’è alcun motivo per credere che sia così. Ciò ha portato ad un nuovo concetto, noto come SIMP (Strongly Interacting Massive Particle), le ultime particelle ipotetiche di materia scura che entrano ufficialmente nella famiglia delle candidate. Le simulazioni realizzate con le SIMP sembrano eliminare alcune discrepranze negli altri modelli e potrebbero spiegare addirittura lo strano segnale associato ai fotoni provenienti dagli ammassi di galassie, piuttosto che dovuto ai neutrini sterili.

Credit: Sandbox Studio, Chicago
Materia scura composita

La materia scura potrebbe essere tutt’altro rispetto ai suddetti candidati o, forse, potrebbe essere caratterizzata da più di una costituente. Dopo tutto, la materia visibile è formata da un insieme di particelle, ognuna con le sue proprietà e comportamento, in grado di combinarsi con le altre. La domanda è: perchè la materia scura dovrebbe essere diversa? La materia scura potrebbe avere i suoi rispettivi quark e gluoni che interagiscono per formare barioni scuri e altre particelle scure. Dunque, ci potrebbero essere atomi scuri costituiti da diverse particelle collegate insieme (arXiv).

Insomma, qualunque sia il caso, senza alcun dubbio la materia scura manterrà  gli scienziati impegnati ancora per molto tempo con l’obiettivo di svelare nuovi e vecchi misteri.

Symmetry Magazine: What could dark matter be?