E se non riuscissimo mai a identificare la materia oscura?

Gran parte del nostro Universo è costituito da una sostanza misteriosa che non possiamo né vedere né toccare: la materia oscura. Sebbene questa materia sia invisibile, i suoi effetti gravitazionali sono molto reali. Influenzano i movimenti delle stelle e delle galassie e piegano la luce, creando effetti di lente gravitazionale che mettono alla prova la nostra attuale comprensione della fisica. Anche altri indizi sulla sua presenza si trovano ovunque, dalle sottili oscillazioni nel bagliore del Big Bang alle anomalie nelle curve di rotazione galattica. Eppure, nonostante decenni di attenta ricerca e osservazione, la vera natura di questo sfuggente materiale rimane un mistero. E se, nonostante tutti i nostri sforzi, rimanesse per sempre fuori dalla portata dei nostri strumenti e della nostra comprensione?

Sfide teoriche e sperimentali

Nell’estate del 2022, i fisici si sono riuniti presso l’Università di Washington per discutere le priorità future della ricerca materia oscura come parte del vasto studio collaborativo noto come “Snowmass Process”. Questa iniziativa, che si svolge circa ogni dieci anni, mira a guidare gli sforzi della comunità della fisica delle particelle. Di fronte alla complessità delle teorie e dei modelli che spiegano la materia oscura, i ricercatori hanno sentito il peso del compito: comunicare chiaramente sulla moltitudine di strade e idee attualmente esplorate.

Oggi la ricerca sulla materia oscura sta raggiungendo un punto critico. Dopo decenni di intenso lavoro, gli scienziati hanno escluso molte ipotesi iniziali riguardanti le particelle che potrebbero costituire questa materia misteriosa. Tuttavia, nonostante la mancanza di prove dirette, rimane la convinzione che la materia oscura sia reale e reale costituisce una componente fondamentale dell’Universo.

Immaginare un cosmo senza materia oscura comporterebbe infatti profonde revisioni delle leggi di gravità come le conosciamo, basate sulla teoria della gravità. La relatività generale di Einstein. Un tale sconvolgimento richiederebbe o aggiustamenti alle equazioni attuali o l’adozione di un approccio teorico completamente nuovo.

Le nuove ipotesi dovrebbero essere in grado di riprodurre gli effetti attribuiti alla materia oscura su scale vaste come quelle degli ammassi di galassie alle piccole galassie satelliti della Via Lattea, pur rimanendo compatibili con le innumerevoli osservazioni precise che abbiamo sul comportamento gravitazionale nell’Universo. Inoltre, queste teorie dovrebbero spiegare perché alcune galassie appaiono prive di materia oscura, mentre altre ne sono abbondantemente fornite.

I WIMP: candidati popolari

Tra i tanti candidati a spiegare la natura della materia oscura, particelle massicce o WIMP che interagiscono debolmente (Particelle massicce che interagiscono debolmente) sono in cima alla lista. Infatti, queste ipotetiche particelle, stabili e massicce, avrebbero una massa paragonabile a quella delle particelle del Modello Standard, tipicamente situate tra 10 e 1.000 GeV/c². Nelle teorie della supersimmetria, che estendono il Modello Standard, le WIMP emergono naturalmente come superpartner più pesanti di particelle conosciute che interagiscono debolmente tramite i bosoni W e Z.

Nonostante i numerosi tentativi di individuare questi superpartner al Large Hadron Collider circa quindici anni fa, non è stata trovata alcuna prova concreta. Ciò suggerisce che se la supersimmetria fosse corretta, le particelle associate sarebbero più massicce di quanto inizialmente previsto. Nonostante tutto, l’idea delle WIMP continua ad attrarre molti fisici, perché offre un meccanismo semplice per spiegare la quantità di materia oscura osservata nel cosmo.

Nell’Universo primordiale, quando tutto era più denso e più caldo, le WIMP sarebbero state prodotte e distrutte in quantità uguali nelle collisioni tra particelle conosciute. Una frazione residua di WIMP sarebbe sopravvissuta a questo periodo caotico, che corrisponde proprio all’attuale abbondanza di materia oscura. Questo modello intuitivo e solido allinea quindi i processi di creazione e annientamento delle WIMP con ciò che osserviamo oggi nell’Universo.

Come rilevarli?

Per rilevare queste particelle sfuggenti, vengono impiegate tre strategie principali. Il primo, gli esperimenti del collisore, mira a ricreare le condizioni dell’Universo primordiale facendo collidere le particelle del Modello Standard per generare potenzialmente WIMP.

Il secondo approccio, il rilevamento diretto, utilizza rilevatori ultrasensibili per individuare le interazioni dirette tra queste ipotetiche particelle e le particelle normali. Infine, il rilevamento indiretto scansiona lo spazio alla ricerca di segnali provenienti dall’annientamento dei WIMP, come raggi gamma o altre particelle familiari. Quest’ultimo metodo è particolarmente interessante, perché verifica direttamente il meccanismo di annichilazione che avrebbe stabilito l’abbondanza di queste particelle.

I prossimi anni dovrebbero portare maggiore chiarezza grazie ai telescopi di prossima generazione come il Cherenkov Telescope Array e il Southern Wide-Field Gamma Observatory, che saranno in grado di testare i WIMP su intervalli di massa più ampi.

L’ipotesi dell’assione

IL assoni QCD si distinguono dagli altri candidati per la materia oscura, come i WIMP, per la loro natura profondamente diversa. Si tratterebbe infatti di una particella fondamentale estremamente leggera, molto più piccola delle particelle più leggere che conosciamo, compresi i neutrini. Che costituiscano o meno tutta la materia oscura, se gli assioni esistono, potrebbero anche fornire risposte ad alcune domande irrisolte sulla forza forte, quell’interazione fondamentale che tiene insieme i nuclei atomici.

Le teorie sugli assioni prevedono interazioni specifiche con particelle conosciute, a seconda della loro massa. Tuttavia, per gli assioni più leggeri, queste interazioni sono così deboli che sono molto difficili da rilevare. A causa della loro massa ridotta, gli assioni si comporterebbero infatti più come onde che come singole particelle, il che potrebbe dar luogo anche a sorprendenti effetti quantistici.

Nella meccanica quantistica, ogni particella ha una dualità onda-particella e la lunghezza d’onda associata a una particella è inversamente proporzionale alla sua massa. Per gli assioni, questa lunghezza d’onda sarebbe così grande che le manifestazioni classiche della particella svanirebbero, rendendo gli effetti quantistici osservabili su scale paragonabili alle dimensioni di un esperimento sulla Terra.

La rilevazione degli assioni QCD è quindi complessa a causa delle loro interazioni estremamente deboli con la materia ordinaria, il che spiega perché sono stati condotti pochi esperimenti e perché coprono solo una frazione ristretta del possibile intervallo di massa. Tuttavia, i recenti progressi nelle tecnologie di rilevamento e nei sensori quantistici offrono nuove intuizioni.

Possibilità diversificate oltre WIMP e assioni

Oltre alle WIMP e agli assioni, ci sono molte altre ipotesi interessanti sulla natura della materia oscura. Queste particelle, però, hanno limiti dimensionali imposti dalla loro natura. Se fossero molto più leggeri degli assioni (circa 25 ordini di grandezza più leggeri della massa dell’elettrone), la loro lunghezza d’onda sarebbe così grande da poter eguagliare le dimensioni degli ammassi stellari o anche di piccole galassie, il che influenzerebbe radicalmente la distribuzione dell’oscurità. La materia e i suoi effetti gravitazionali.

All’altra estremità della scala di massa, osserviamo direttamente ammassi di materia oscura che pesano decine di milioni di volte la massa del Sole. Una possibilità intrigante è che la materia oscura sia costituita da oggetti densi e scuri chiamati oggetti massicci di alone compatto (MACHO), ironicamente opposti ai WIMP. Questi MACHO potrebbero esserlo buchi neri primordialiformatosi subito dopo il Big Bang, ancor prima della nascita delle stelle.

Questi oggetti, che non hanno origine stellare, potrebbero essere molto più leggeri del Sole, con masse paragonabili a quelle degli asteroidi del nostro Sistema Solare, cioè comprese tra 100 e 100.000 miliardi di tonnellate. Per fare un confronto, questi buchi neri sarebbero comunque circa 75 ordini di grandezza più pesanti delle più piccole particelle possibili di materia oscura, dimostrando l’enormità della gamma di masse potenziali. Per riferimento, la differenza dimensionale tra il raggio dell’Universo osservabile e il raggio di un protone è solo di circa 41 ordini di grandezza.

Una strategia equilibrata per la ricerca della materia oscura

Dopo le discussioni di Snowmass, la comunità dei fisici optato per una strategia equilibrata: approfondire le nostre teorie preferite sulla materia oscura ampliando al tempo stesso la ricerca per esplorare quante più strade possibili, anche in modo meno intensivo.

Se siamo fortunati, uno di questi esperimenti potrebbe rivelare un segnale chiaro e definitivo. Si tratterebbe quindi di una vera svolta. La moltitudine di sforzi di ricerca si concentrerebbe quindi su questa scoperta e i ricercatori organizzerebbero nuovi esperimenti per comprendere meglio questo segnale.

Ma cosa accadrebbe se nessun esperimento producesse risultati convincenti? I fisici che si troveranno nel prossimo processo Snowmass, tra un decennio circa, potrebbero dover fare affidamento su risultati negativi per guidare la ricerca futura. Sebbene ciò possa essere deludente, rappresenterebbe comunque un significativo passo avanti.