Alla ricerca della materia oscura

Il fatto che ci debba essere, nell’universo, una materia che non riusciamo proprio a vedere è noto da decine di anni. Infatti, lo aveva già capito Fritz Zwicky negli anni Trenta ed è stato inoltre suggerito da Vera Rubin negli anni Settanta. E, insomma, da allora qualche passo in avanti lo abbiamo fatto ma, sostanzialmente, ancora brancoliamo nel buio.

La materia oscura rappresenta circa il 27% di quello che c’è nell’universo.

Le galassie che osserviamo luminose nel cielo si sono formate in aloni di materia oscura.

Per ricapitolare (ma ne abbiamo già parlato spesso e volentieri e qui e qua su Quantizzando): come sappiamo che c’è della materia che non vediamo? Lo possiamo capire, ad esempio, da come si muovono le galassie in un ammasso (di galassie). Infatti le galassie si muovono con una velocità che dipende da quanta roba c’è nell’ammasso. Più roba c’è, più le galassie si muovono veloci.


Però, se prendiamo un ammasso e, in qualche modo, cerchiamo di “pesare” la materia luminosa, cioè quella che riusciamo a vedere, quindi le galassie stesse, arriviamo ad una massa totale che non è sufficiente per spiegare la velocità delle galassie. E quindi ci deve essere della materia che non riusciamo a vedere, cioè che non emette luce. L’unico modo in cui interagisce è per via gravitazionale: ovvero siccome si tratta di massa, secondo la teoria della Relatività Generale, distorce lo spazio-tempo e quindi influisce sul moto dei corpi nell’universo, come appunto sulle galassie, per esempio. Ma non solo in ammassi di galassie: anche nelle galassie stesse! Infatti anche le stelle in ogni galassia non si muovono come previsto. Risultato? Si ritiene che ogni galassia sia immerso in un alone di Materia Oscura, una sorta di cofanetto invisibile.
Un altro modo di osservare la distribuzione di materia oscura attorno alle galassie visibili è quello di sfruttare il fenomeno delle lenti gravitazionali (abbiamo parlato anche di questo tempo fa su Quantizzando).

OK, va bene, c’è materia oscura e non la vediamo e siamo tutti felici (più o meno!). E sono passati 80 anni. Vogliamo trovare un modo per osservarla questa materia, sì o no?

Beh, non è mica così semplice! Comunque possiamo catalogare la ricerca in due filoni: osservazione diretta e indiretta.

Nella ricerca diretta si prova ad osservare una collisione di una particella di Materia Oscura, qualunque cosa essa sia, con nuclei atomici. Questo, per esempio, è uno dei tipi di ricerca che si fanno nei Laboratori del Gran Sasso. Al momento ancora niente, purtroppo.

Perciò oggi spenderemo due parole sull’osservazione indiretta.
L’ipotesi fondamentale, da premettere, è assumere che la materia oscura sia fatta di particelle di un certo tipo, chiamate particelle di Majorana, che interagiscono debolmente sia tra di loro sia con le altre particelle.

Le particelle di Majorana (chiamate così in onore del fisico italiano Ettore Majorana il quale, tra l’altro, ha una storia tutta particolare di cui parleremo un giorno) sono ipotetiche particelle le quali sono le anti-particelle di se stesse.

Un attimo, che vuol dire questa roba? In natura esistono la materia, fatta di particelle, e l’anti-materia, fatta di anti-particelle. In realtà le anti-particelle altro non sono che particelle con proprietà speculari alle particelle di materia.
Ecco, facciamo un esempio. Avete presente l’elettrone? Esso ha una certa massa e una certa carica elettrica negativa. Ebbene, esiste il positrone, il quale è l’anti-particella dell’elettrone, ed ha la stessa sua massa e la sua stessa carica elettrica, però positiva.

E allora perché si chiama anti-particella? Perché quando un elettrone e un positrone si scontrano avviene un pasticcio, o meglio ciò che tecnicamente si chiama annichilazione: ovvero, i protagonisti originari, cioè le particelle di partenza, si scontrano e vengono distrutte. Esse non ci sono più e si forma un fotone, cioè un’onda elettromagnetica di una certa energia che dipende dalla massa iniziale della coppia particella e anti-particella.

Ora, torniamo alle particelle di Majorana: siccome una particella di Majorana è l’anti-particella di se stessa, ciò vuol dire che se due particelle di Majorana si scontrano allora “puff!” avviene l’annichilazione, cioé le due particelle si distruggono tra loro e danno vita ad un fotone.

Sono sicuro che avete una domanda in testa ora.
Tipo: ma, Sandro, aspetta un attimo! La materia oscura è il tipo di materia più diffuso nell’universo. Come può essere fatto di particelle che si fanno fuori a vicenda?
Ottima domanda, infatti!
Tutto dipende dalla sezione d’urto prevista per queste particelle, ovvero una sorta di indicatore della probabilità che due particelle possano scontrarsi. Alta sezione d’urto, alta probabilità di scontro e viceversa.

Alcuni modelli fisici, estensioni del Modello Standard della fisica delle particelle, prevedono l’esistenza di particelle chiamate WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, cioè particelle massive debolmente interagenti tra loro) che sono particelle di Majorana. Data l’abbondanza di materia oscura prevista dalle osservazioni cosmologiche (circa il 27% del contenuto dell’universo) viene fuori che, assumendo la materia oscura sia fatta di WIMPs, la sezione d’urto sarebbe molto piccola, tipica di interazioni molto deboli.
Esattamente quello che ci aspettiamo faccia una particella candidata ad essere Materia Oscura.

Comunque, ogni tanto qualche particella di materia oscura potrebbe scontrarsi, quindi avremmo l’annichilazione, quindi fotoni che potremmo osservare.
Che tipo di fotoni? I fisici hanno fatto i conti e sono venuti fuori raggi gamma, onde elettromagnetiche di altissima frequenza e parecchio energetiche. E, per fortuna, abbiamo un satellite che di mestiere osserva proprio i raggi gamma: è il satellite Fermi della NASA.

Dunque, il piano è il seguente.
Primo, identifichiamo qualche bella galassietta non troppo lontana, magari nei dintorni della Via Lattea. Secondo, vediamo se abbiamo un qualche eccesso di raggi gamma. Terzo, controlliamo se tale emissione gamma sia  consistente con quello che dovremmo vedere se la materia oscura fosse fatta di WIMPs.

Eh, ecco: come stiamo messi allora? Li abbiamo visti questi raggi gamma? Abbiamo in pugno la materia oscura?
La risposta è: boh!
C’è chi è ottimista e chi meno: il tutto è legato alla fiducia riguardo l’emissione di Raggi Gamma. Insomma c’è ancora da lavorare tanto per provare a dare qualche risposta.

Ma, per oggi, almeno qui su Quantizzando, va bene così. Mi premeva solo raccontarvi quale fisica sta dietro alcune idee che ci sono in giro per provare a beccare e identificare questa inafferrabile materia oscura.

Qualcuno dice che prima o poi capiremo cos’è, questa Materia Oscura.
Chissà, dico io, magari ci vorranno decenni. Ma non importa: lasciamo fare alla scienza tutte le verifiche, prove e teorie necessarie.
Non mettiamo fretta alla scienza. L’importante è continuare a cercare, provare a svelare i misteri dell’universo. Se è vero che il successo di una scoperta apre un sacco di porte, un insuccesso lavora al contrario, chiudendo una porta alla volta tra quelle disponibili come spiegazione di un certo fenomeno. Ma alla fine sia il successo che l’insuccesso tendono verso la stessa meta finale, la comprensione dell’universo. Ed è questa l’unica cosa che conta per davvero.

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