La Materia Oscura dell’universo
di Paolo Di Sia
Introduzione
Tutta la materia ad oggi rilevata nell’universo ammonta a circa un 4,9%. Dove è la rimanente? La maggior parte del cosmo risulta essere “universo oscuro”; si tratta di un mix di materia oscura (26,8%) ed energia oscura (68,3%), entrambe le quali hanno finora offerto tutta una serie di enigmi impenetrabili. L’esistenza della materia oscura è stata dedotta dal moto delle stelle fin dal 1930, ma la sua reale natura rimane un mistero. La particella di materia oscura postulata a livello teorico non è stata ancora “vista”, quindi non è ancora dimostrata la sua esistenza dal punto di vista sperimentale. La ricerca sta facendo passi avanti e le possibilità di trovare dati favorevoli aumentano, ma per ora non vi è nulla di definitivo.
Spiegare l’energia oscura è impresa ancora ancora più ardua; su questo argomento si tornerà in un prossimo intervento. La scoperta (nel 1998) dell’espansione accelerata dell’universo richiede una forza motrice che si opponga alla forza di gravità, che invece tende a far avvicinare la materia. La ricerca di risposte a queste domande richiede di guardare indietro nel tempo, alla nascita dell’universo. La capacità di rilevare i neutrini e le onde gravitazionali dovrebbe fornire nuovi modi di osservare ed esplorare questa parte di universo ad oggi “invisibile”. Con la scoperta sperimentale delle onde gravitazionali siamo alle porte di una nuova era in astronomia e questo sicuramente dovrebbe aiutare la ricerca della materia oscura.
Il “mistero” della materia oscura
L’idea di pensare ad una materia oscura che risiede nell’universo risale al 1930, quando l’astrofisico svizzero Fritz Zwicky giunse alla conclusione che vi era troppo poca materia visibile nel cluster “Coma” per tenere conto del moto delle circa 1000 galassie al suo interno. Gli astronomi non hanno tenuto conto della teoria di Zwicky per decenni, finchè nel 1970 l’astronomo statunitense Vera Rubin ha iniziato a pubblicare misure di spettri galattici che hanno mostrato che una considerevole quantità di massa dell’universo mancava. Dal 1980 Rubin e altri avevano dimostrato che lo spettro elettromagnetico rivelava circa un sesto della materia che forma le galassie con la sua forza gravitazionale. Ma la maggior parte della materia presente nell’universo sembra mancare, stando alle rilevazioni attuali. Per ogni grammo di materia ordinaria che emette e assorbe la luce, l’universo contiene circa cinque grammi di materia che risponde alla gravità, ma è invisibile alla luce. E’ questa la materia oscura, e la ricerca volta ad identificarla è ora nel suo quarto decennio di lavoro. Una serie di esperimenti ha finora sistematicamente cercato, ma non è riuscita a trovare, i “candidati” teorici per la materia oscura. Il lavoro sperimentale attualmente in corso è volto a rilevare o smentire altri candidati ad essere materia oscura, con approcci anche molto diversi al problema. E’ possibile che i fisici debbano esplorare nuove idee e considerare teorie alternative, o accettare che la natura possa aver nascosto la materia oscura un po’ fuori dalla nostra portata.
Candidati ad essere materia oscura
1) Tra gli oggetti cosmici considerati come possibili preferiti abbiamo i buchi neri, ma essi non sono gli unici.
2) Sono stati considerati altri oggetti massicci compatti fatti di materia ordinaria, chiamati MACHOs (da “Massive Astrophysical Compact Halo Objects”). Si tratta di oggetti astronomici che potrebbero spiegare la presenza apparente di materia oscura negli aloni delle galassie. Sarebbero composti di normale materia che emette poca o nessuna radiazione, viaggiando attraverso lo spazio interstellare non associati a sistemi planetari. Dal momento che non sono luminosi, sono di fatto difficili da individuare. Essi includerebbero buchi neri, stelle di neutroni, stelle nane brune e pianeti non associati. Sono stati proposti come candidati per i MACHOs anche le nane bianche e le nane rosse molto deboli. Una serie di studi, tuttavia, sta gradualmente escludendo molte di queste possibilità. E’ stato ad esempio determinato che i buchi neri con massa compresa all’interno di una determinata frazione della massa del sole avrebbero distrutto le stelle di neutroni. La presenza di stelle di neutroni in antichi ammassi globulari suggerisce pertanto che i buchi neri primordiali di queste dimensioni siano estremamente rari e non possano spiegare tutta la materia oscura nell’universo. Si è pensato allora di considerare buchi neri più grandi e gli studi sono in corso. Per questi e altri motivi gli studiosi hanno cercato risposte in altri candidati.
3) Tra gli ulteriori candidati, molto credito hanno le particelle WIMP (da “Weakly Interacting Massive Particles”); da un decennio a questa parte molti fisici sono convinti che la materia oscura sia composta da queste particelle debolmente interagenti. Si tratterebbe di particelle subatomiche che hanno massa, ma mancano di carica, in modo da rispondere alla gravità, ma non alla luce o all’elettromagnetismo in genere. Le WIMP sono previste da una teoria chiamata “supersimmetria”. Essa è un’estensione del modello standard della fisica delle particelle, ideata per risolvere alcune incongruenze con la fisica osservata. La supersimmetria postula una simmetria tra le due classi fondamentali di particelle conosciute, ossia i bosoni da una parte (come i fotoni e il bosone di Higgs) che riguardano le forze, e i fermioni dall’altra (come i protoni e gli elettroni) che riguardano la materia. La supersimmetria associa ad ogni bosone un fermione, e viceversa, ad ogni particella la sua “superparticella” (detta anche “sparticella”). Con le WIMP si riesce a spiegare tutta la materia oscura che vediamo nell’universo. Esse avrebbero una massa circa otto volte maggiore della particella di Higgs e sono previste essere la loro propria antiparticella, il che significa che se due di esse si scontrano, si annientano rilasciando una quantità di fotoni che possono offrire un modo per individuarle nell’universo.
4) Anche se le WIMP sono ancora ritenute i principali candidati per la materia oscura, ulteriori possibilità non recenti vengono ancora considerate. Tra queste abbiamo delle particelle “wrap” previste nelle teorie di Kaluza-Klein. Proposte intorno al 1920, queste teorie ipotizzano, oltre alle quattro dimensioni dello spaziotempo, dimensioni di ordine superiore arrotolate a formare spazi interni piccolissimi, come per le dimensioni superiori a quattro previste dalle teorie di superstringa.
5) Un’altra alternativa è una classe di ipotetiche particelle elementari chiamate assioni. Come le WIMP, anche queste particelle sono state proposte per risolvere alcuni problemi del modello standard. Gli assioni di piccola massa potrebbero essere dei candidati ideali per la materia oscura; la loro mancanza di carica li renderebbe quasi invisibili alla materia normale e alle radiazioni. Ma come le particelle supersimmetriche, gli assioni devono ancora essere trovati. Gli esperimenti finora hanno limitato masse degli assioni tra 1 e 100 microelectronvolt, circa 16 ordini di grandezza inferiori alla massa di Higgs.
Esperimenti in atto e futuri
1) Al “Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory” (LIGO) la fusione di due buchi neri di circa 30 masse solari ha permesso la prima rivelazione delle onde gravitazionali, fenomeno previsto da Albert Einstein e sfuggito alla rilevazione per 100 anni; la materia oscura sembra però essere un mistero diverso. In questi ultimi mesi è cresciuto molto fermento teorico e sperimentale attorno alla materia oscura. In particolare:
- massa dei buchi neri dell’esperimento LIGO è all’interno di un intervallo che le ricerche precedenti riguardanti la materia oscura non avevano escluso;
- il tempo di cui l’esperimento LIGO ha avuto bisogno per individuare l’evento risulta compatibile con il tasso di fusione che gli scienziati avevano previsto;
- a maggio del 2016 un gruppo di ricerca ha scritto un lavoro scientifico relativamente a questi ultimi fatti, che ha suscitato una grande frenesia tra gli studiosi della materia oscura di tutto il mondo;
- in giugno 2016 è stato suggerito che questi buchi neri primordiali potrebbero anche spiegare la distribuzione non uniforme della luce infrarossa nella radiazione cosmica di fondo, abbreviata in CMBR (da “Cosmic Microwave Background Radiation”), cioè la radiazione elettromagnetica residua prodotta dal big bang che permea l’universo;
- in agosto 2016 un team guidato dall’università di Kyoto in Giappone ha in parte confermato la teoria relativa al lavoro scientifico scritto, ma ha suggerito che tali buchi neri potrebbero rappresentare solo una frazione di tutta la materia oscura dell’universo;
- l’astrofisico Timothy Brandt dell’Institute for Advanced Study di Princeton, New Jersey, ha esaminato il moto delle stelle entro dieci galassie attentamente studiate, vicino alla Via Lattea. Ha trovato che le stelle si muovono troppo lentamente e sono concentrate troppo strettamente, affinchè la massa invisibile si presenti sotto forma di buchi neri di massa pari a 30 masse solari. Le stelle in una galassia si scambiano energia l’una con l’altra, ma nelle galassie studiate questo sembra non accadere; ciò porta a pensare che i buchi neri primordiali non siano la misteriosa materia oscura.
2) I fisici del CERN, uno dei più sofisticati laboratori di fisica delle particelle del mondo, sono alla ricerca delle WIMP con l’LHC (da “Large Hadron Collider”), facendo scontrare assieme protoni o nuclei atomici ad altissima velocità per ricreare le condizioni di altissima energia dell’universo primordiale, qualche milionesimo di milionesimo di secondo dopo il big bang. Questi esperimenti richiedono estrema precisione e costanza; ci vogliono circa 4-5 ore per caricare la macchina con le particelle e accelerarle a quelle energie, poi altre 24 ore per farle scontrare tra loro. Questo ciclo si ripete da mesi e le migliaia di miliardi di collisioni vengono registrate e analizzate nella speranza che una di esse sia quella giusta per creare la particella mancante. Si tratta di un approccio che ha avuto successo nel passato; la cattura del bosone di Higgs è avvenuta nel 2012 dopo una ricerca di mezzo secolo. Se la materia oscura è una particella, l’LHC dovrebbe produrla; non si vedrà direttamente, ma indirettamente, cercando i segni dell’energia e della quantità di moto lasciate dalle collisioni tra le particelle all’interno dell’acceleratore. Per capire meglio questo concetto, possiamo fare un semplice esempio: pensiamo ad un biliardo dove conosciamo teoricamente la posizione delle palle, ma non vediamo quella che colpisce il gruppo e/o non ne vediamo alcune. Dopo lo scontro, le varie palle rotolano via seguendo traiettorie diverse, da cui si possono dedurre informazioni su quelle non visibili. Nello stesso modo i fisici stanno utilizzando i percorsi delle particelle che possono vedere per identificare i percorsi della materia oscura che non hanno visto finora. C’è anche il problema che, poiché la materia oscura sembra essere molto piccola e gli atomi che compongono il mondo sono principalmente spazio vuoto (perchè praticamente tutta la loro massa è concentrata nel nucleo, che è molto piccolo rispetto alle dimensioni dell’atomo, mentre esternamente abbiamo solo la nube elettronica), la maggior parte di esse passano attraverso gli atomi senza collidere con questi. Ma con tutta la materia oscura che dovrebbe esistere, di tanto in tanto, statisticamente una particella dovrebbe colpire un nucleo atomico direttamente e provocare quindi una reazione rilevabile dagli strumenti. Nel 2015 gli esperimenti all’LHC hanno prodotto un accenno di un bosone di 750 gigaelectronvolt (GeV) (1 Gev = un miliardo di elettronvolt), circa sei volte la massa della particella di Higgs, ma nel mese di agosto 2016 si è capito che si trattava solo di una fluttuazione statistica. Diversi gruppi hanno costruito strumenti per individuare questi urti, che trasferiscono migliaia di electronvolt di energia dalla materia oscura ad un nucleo atomico. Purtroppo queste collisioni sono eventi estremamente rari. I fisici scelgono i materiali più sensibili come bersaglio (come xenon e ioduro di sodio), ossia quelli con i nuclei che hanno più probabilità di reagire in modo rilevabile a seguito di una collisione con la materia oscura. Vengono raffreddati vicino allo zero assoluto (la temperatura più bassa possibile, equivalente a -273,15 °C) per rendere più facile individuare le piccole quantità di energia trasferita dalla materia oscura a quella ordinaria. I rilevatori erano inizialmente piccoli (si parla di grammi di materiale monitorati in un giorno), ma sono stati aumentati nel tempo (dell’ordine di una tonnellata osservata in un anno) per poter aumentare la sensibilità. L’idea di posizionare i rivelatori in profondità nel sottosuolo contribuisce a mantenere il più possibile lontane potenziali interferenze, come ad esempio i raggi cosmici e il decadimento nucleare, che disturbano i possibili segnali della materia oscura. Ogni esperimento che non trova la materia oscura di fatto è ugualmente importante, perchè esclude una serie di possibili masse e sezioni d’urto di collisione.
LHC – Large Hadron Collider – di Ginevra
3) In Italia è partito da anni un esperimento denominato DAMA (da “DArk MAtter”). Il gruppo di lavoro ha affermato di aver eseguito rilevazioni costantemente dalla fine del 1990. Hanno “visto” qualcosa, ma non è ancora chiaro che cosa; probabilmente non si tratta di materia oscura. DAMA ha adottato un approccio particolare: anziché cercare di eliminare il rumore di fondo (ossia i disturbi di fondo di varia origine) in modo da registrare le singole collisioni delle particelle, l’osservatorio conta tutto e cerca variazioni annuali del livello del segnale da cristalli di ioduro di sodio altamente purificati posti a 1,5 km sotto il Gran Sasso. I risultati di DAMA sembrano però essere incompatibili con quelli degli strumenti di altri gruppi sperimentali nel mondo che hanno utilizzato altri materiali, come ad esempio lo xenon. Molti ricercatori ritengono pertanto che DAMA stia rilevando qualcosa di diverso dalla materia oscura.
DAMA – Laboratorio sotto il Gran Sasso
4) Per risolvere il problema è stato avviato un progetto da parte di scienziati legati all’università di Princeton nel New Jersey, denominato SABRE (da “Sodium-iodide with Active Background Rejection”). Esso utilizzerà un rilevatore di sodio ioduro simile a quello di DAMA, ma con una migliore purezza del sodio ioduro e utilizzando un rivelatore di radiazione esterna per evitare gli eventi estranei alla materia oscura. Il gruppo spera di ridurre il rumore di fondo di un decimo di quello dell’esperimento DAMA.
5) Nell’esperimento chiamato COSINE-100 i ricercatori hanno in programma di condurre un simile test con 100 kg di sodio ioduro altamente purificato. Il progetto è una collaborazione tra la “Korea Invisible Mass Search” (KIMS) e i gruppi DM-Ice. KIMS ha installato i rilevatori a 700 metri di profondità presso il laboratorio Yangyang in Corea del Sud questa estate. L’operazione inizierà in autunno e permetterà ai ricercatori di capire meglio cosa viene rilevato in Italia con DAMA.
6) L’esperimento LUX (da “Large Underground Xenon”) ha funzionato per 20 mesi, monitorando 370 chilogrammi di xenon liquido raffreddato a temperature dell’ordine del millikelvin a 1,5 km di profondità nel Sud Dakota, ma non ha trovato una sola WIMP. I membri del gruppo nutrono tuttavia ancora speranze. La sensibilità di LUX è stata migliorata di un fattore quattro, contribuendo ad escludere altre possibili masse di materia oscura. Per esplorare la gamma restante delle masse che sono accessibili agli esperimenti, il team LUX sta assemblando un aggiornamento, chiamato LUX-ZEPLIN. L’esperimento, che utilizza sette tonnellate di xenon liquido, dovrebbe raccogliere una consistente quantità di dati entro il 2020.
7) L’esperimento Axion Dark Matter finanziato dal dipartimento dell’energia degli Stati Uniti sta tentando di rilevare “assioni” intrappolandoli all’interno di una cavità che oscilla a frequenze particolari e contiene un intenso campo magnetico. Dopo quattro anni di preparazione, costruzione e test preliminari l’esperimento è impostato per iniziare a funzionare nel mese di luglio 2017. Si proseguirà fino al 2021, tempo che dovrebbe coprire la maggior parte della gamma di massa che è ancora da indagare. Anche se gli assioni non venissero rilevati, ciò non dimostrerebbe la loro inesistenza, ma solo che non possono essere visti mediante quelle apparecchiature.
Conclusioni
La preoccupazione che la materia oscura potrebbe semplicemente essere non rilevabile è presente nei gruppi sperimentali del mondo. Può anche darsi che la materia oscura sia o estremamente leggera o estremamente pesante, o la sua densità potrebbe essere troppo bassa nello spazio dove si trova la nostra terra. La materia oscura potrebbe essere nascosta dal rumore di fondo dell’universo o trascurata per altri motivi. Ma gli scienziati raccomandano pazienza. Dopo 20 anni di lavoro sulle particelle WIMP, supersimmetria e materia oscura, molti di loro non hanno dubbi circa il corso della ricerca. Anche il bosone di Higgs è stato postulato nel 1964 e scoperto nel 2012, dopo quasi 50 anni. Non ci sarebbe quindi grossa sorpresa se qualche altro decennio passasse senza rilevazione della materia oscura. E’ pertanto prematuro e non scientifico rinunciare a questa grande possibilità di scoperta.
Riferimenti bibliografici:
- S. Bird, I. Cholis, J. B. Muñoz, Y. Ali-Haïmoud, M. Kamionkowski, E. D. Kovetz, A. Raccanelli, and A. G. Riess, “Did LIGO Detect Dark Matter?”, Physical Review Letters, 116, 201301 (2016).
- A. Kashlinsky, “Ligo Gravitational Wave Detection, Primordial Black Holes, and the Near-IR Cosmic Infrared Background Anisotropies”, The Astrophysical Journal Letters, 823(2), L25 (2016).
- M. Sasaki, T. Suyama, T. Tanaka, and S. Yokoyama, “Primordial Black Hole Scenario for the Gravitational-Wave Event GW150914”, Physical Review Letters, 117, 061101 (2016).
- T. D. Brandt, “Constraints on Macho Dark Matter from Compact Stellar Systems in Ultra-Faint Dwarf Galaxies”, The Astrophysical Journal Letters, 824(2), L31 (2016).
- J. Hecht, “What’s the Matter?”, Nature, 537, S194 (2016).
Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
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