Conoscienza - Master in Comunicazione delle Scienze - Università degli Studi di Padova
Articoli > Astrofisica e Cosmologia

Materia oscura: la caccia continua con nuovi strumenti
di Massimo Pietroni, 20/05/2009

 

L'esistenza e la natura della Materia Oscura rappresentano senza dubbio uno dei temi più affascinanti della fisica odierna.  Le osservazioni cosmologiche e astrofisiche di questi ultimi anni ci consegnano un quadro in cui solamente il 4% della massa e dell'energia che compongono l'Universo sono attribuibili a forme “normali” di materia, cioè a elementi chimici che, per quanto rari, sono collocabili sulla tavola periodica. Il restante 96% ne è fuori, e viene comunemente suddiviso in energia oscura  (circa i 2/3) e in materia oscura (1/3).

L'energia oscura è stata messa in evidenza in modo spettacolare alla fine degli anni '90 del secolo scorso. Studiando la velocità di allontanamento di un particolare tipo di stelle, visibili fino a miliardi di anni luce da noi, le cosiddette supernovae di tipo Ia, gli astronomi hanno concluso che l'Universo si espande a velocità sempre crescenti, cioè sta accelerando. Come se, a quelle distanze,  la forza di gravità diventasse repulsiva anzichè attrattiva. Un comportamento di questo tipo, per quanto bizzarro, si può tuttavia ancora riconciliare con la teoria della gravitazione di Einstein, purchè si ammetta l'esistenza di un fluido con pressione negativa: per l'appunto, l'energia oscura. I modelli teorici che tentano di descriverla sono molti, ed è ancora lontano il momento in cui le osservazioni potranno fornire test conclusivi sulla loro verosimiglianza.

lhc.jpg

Non è così, forse, per la restante parte del mondo oscuro, quel 30% che pare comportarsi in modo più ortodosso dal punto di vista gravitazionale (cioè esercita una forza attrattiva) ma che è composto da forme di materia che non sono mai state osservate in alcun laboratorio terrestre. La caccia a queste nuove particelle è più aperta che mai, e senza risparmio di energie. A questo scopo sono dedicati i grandi acceleratori di particelle (primo fra tutti LHC  al Cern di Ginevra), diversi esperimenti in laboratori sotterranei ( come al Gran Sasso) su palloni-sonda, e su satelliti in orbita nello spazio. A questa ultima categoria appartiene il Fermi Large Area Telescope, un telescopio a raggi gamma (fotoni di altissima energia), frutto di una vasta collaborazione internazionale a cui anche Padova, con il dipartimento di Fisica e l'INFN, dà un contributo importante. Dopo un'attesa durata mesi, proprio in questi giorni (4 maggio, su Physical Review Letters) sono stati pubblicati i primi dati, che potenzialmente potranno dire una parola decisiva sulla natura della materia oscura.

glast.jpg

Fermo restando l’interesse ‘astrofisico’ per la ricerca di materia oscura, ciò che veramente interessa il fisico delle particelle è capire come queste nuove particelle si collocano nel “Modello Standard” delle interazioni fondamentali.
Ma quali caratteristiche deve avere, secondo la fisica delle particelle, un valido candidato per la materia oscura?
Il  primo requisito è quello di essere stabile o comunque avere tempi di decadimento così lunghi da non essere ancora decaduta sino a oggi, più di 14 miliardi d’anni dopo il Big Bang. Calcolare poi il contributo alla materia presente nell’Universo di una tale particella risulta semplice: si tratta di moltiplicare la massa della particella per il numero di particelle sopravvissute. Quest’ultima cruciale informazione si acquisisce studiando la ‘vita’ della candidata durante i primi momenti dell’Universo. 
Quando ancora non è intercorso un secondo dal Big Bang, l’Universo è ancora caldissimo e le diverse particelle presenti in questa sorta di ‘brodo primordiale’ interagiscono molto velocemente le une con le altre.  Le varie specie sono tutte egualmente abbondanti, poiché le interazioni favoriscono la trasformazione di particelle da una specie all’altra, mantenendo così un equilibrio fra le diverse popolazioni. In corrispondenza al progressivo raffreddamento dell’Universo, due diversi destini attendono le varie particelle. La maggior parte di queste decade e a un certo punto l’Universo diviene così freddo da non permettere più il processo inverso in cui le particelle possono essere ricreate. Queste particelle pesanti semplicemente scompaiono dal gioco e torneranno in vita per brevissimi istanti solo 14 miliardi di anni più tardi, prodotte negli urti ad altissima energia realizzati nei nostri laboratori!

Completamente diversa è la sorte che attende le particelle stabili. Per loro esiste un momento decisivo che fisserà una volta per tutte il loro numero: il disaccoppiamento. Come può accadere a un gruppo di persone che si allontanano e per le quali diventa sempre più raro riuscire a parlarsi finché si arriva al ‘disaccoppiamento’ e ognuno prosegue per la sua strada, così per la particella stabile in esame arriva il momento in cui essa non interagisce più con le altre. Da allora in poi l’Universo diventa ‘trasparente’ per questo tipo di particelle e il loro numero non varierà più. Si tratta di particelle ‘fossili’ dell’Universo primordiale. Non è solo una bella ‘teoria’: i fotoni della radiazione di fondo che abbiamo visto in precedenza, sono un esempio di particelle fossili. Si sono disaccoppiati circa 380.000 anni dopo il Big Bang e da allora vagano nel cosmo.  I fotoni però non possono costituire la materia oscura che osserviamo, se non altro perché non hanno massa e la loro energia attuale è piccolissima. Quale altra particella fossile possiamo invocare per la materia oscura?

Tra le possibili estensioni del Modello Standard, quella in cui i neutrini possiedono massa, il candidato possibile per la materia oscura è una particella chiamata neutrino. 
Il neutrino è una particella ‘simpatica’ (a cominciare dal nome attribuitogli da Fermi): di massa estremamente piccola, almeno un miliardo di volte più piccola di quella di un protone o di un neutrone, con interazioni col mondo circostante molto deboli,  riveste però un ruolo di primo piano nella storia dell’evoluzione dell’Universo (macrocosmo) come pure nella nostra comprensione del mondo particellare (microcosmo). Sarebbe magnifico se potesse anche essere la fonte della maggior parte della materia esistente nell’Universo! Purtroppo questo non funziona per almeno due buone ragioni.

La prima è che la massa è così piccola che, moltiplicata per il numero di neutrini fossili, non riesce assolutamente ad arrivare a un’abbondanza di materia oscura comparabile a quella necessaria.
La seconda ha a che fare con l’altissima velocità, quasi uguale a quella della luce, che il neutrino possiede quando si disaccoppia, circa un secondo dopo il Big Bang. In un Universo in cui gran parte della materia oscura fosse fatta di neutrini, la formazione delle galassie sarebbe ritardata dal rapido movimento di queste particelle. Le prime strutture a formarsi sarebbero grandi ammassi, mentre le singole galassie si formerebbero solo più tardi, per frammentazione. Ciò condurrebbe a una mappa delle strutture del nostro Universo molto diversa da quella che ci forniscono gli accurati cataloghi di galassie di cui disponiamo oggi.
Ma il neutrino non cessa di aiutarci nella nostra esplorazione: dietro al suo fallimento quale candidato di materia oscura troviamo l’importante suggerimento che potrebbe funzionare come materia oscura una particella che ha pure interazioni deboli, ma con una massa molto più alta di quella del neutrino in modo da rimanere quasi ‘seduta’ nel momento in cui si disaccoppia: la Wimp.

Nello slang americano non è certo un complimento se dite a qualcuno che è un wimp, cioè un deboluccio che ha paura di tutto. Ma nel mondo delle particelle essere un wimp stabile è un grande privilegio. Infatti, Wimp è un acronimo inglese per ‘particella con massa che interagisce debolmente’ (weakly interacting massive particle), e quindi siamo in presenza di una particella che ha caratteristiche simili a quelle del neutrino, ma con massa molto più alta, almeno 10 miliardi di volte più grande di quella di un normale neutrino. È proprio questa grande massa  che fa sì che quando un Wimp si disaccoppia, nonostante la temperatura ancora elevatissima presente nell’Universo primordiale, esso abbia una velocità molto bassa, che è proprio quello che serve per ottenere una corretta formazione delle strutture. Ma non è tutto.
Ciò che veramente ha reso la particella Wimp la star dei candidati di materia oscura è un’impressionante ‘coincidenza’: nel calcolo del momento di disaccoppiamento e quindi del numero di Wimps oggi presenti entrano sia quantità di tipo cosmologico che caratteristiche tipiche della fisica delle particelle elementari. Ebbene, senza fare particolari assunzioni sui valori di queste varie quantità del tutto indipendenti tra loro, per un ampio intervallo di massa dei Wimps, diciamo tra 100 e 1000 volte la massa di protoni e neutroni, si ottengono valori per l’abbondanza di materia oscura in accordo con quelli necessari per rendere conto delle osservazioni astrofisiche e cosmologiche.

Ma come possiamo provare l’esistenza delle wimp?
Ci vuole grande abilità, astuzia e … un pizzico di fortuna per trovare una Wimp. La si può cercare direttamente quando interagisce con un rivelatore composto di materia ordinaria collocato nei nostri laboratori.
Oppure si può cercare di produrla nelle collisioni tra particelle che avvengono nei grandi acceleratori come l’LHC del Cern di Ginevra.
Infine, si possono cercare le tracce indirette della presenza di particelle di materia oscura. Infatti, quando due Wimp nell’alone galattico entrano in collisione, si annichilano, e al loro posto compaiono fotoni e molte altre particelle che, in parte, possono raggiungere la Terra. L’osservazione di queste particelle, tra le quali ci potrebbero essere neutrini e antimateria (antielettroni, antiprotoni), sarebbe una conferma dell’esistenza delle Wimp, ottenuta grazie alla loro autodistruzione.

È questo l'obbiettivo di Fermi, il satellite citato all'inizio. I dati recenti, appena pubblicati, sono estremamente interessanti. Il telescopio a bordo del satellite ha misurato un flusso di elettroni e anti-elettroni di alta energia superiore a quello che ci si aspetterebbe in base a ipotesi convenzionali sulla produzione e la propagazione di questo tipo di particelle. Analoghi segnali sono stati rivelati mesi fa da Pamela, un altro satellite realizzato grazie al contributo italiano, che misura invece solo il flusso di anti-elettroni.
È troppo presto per dire con certezza se questi elettroni e positroni in più siano veramente il frutto dell'autodistruzione di particelle di materia oscura, o possano invece essere attribuiti a fenomeni di tipo astrofisico (ad esempio le Pulsar potrebbero rappresentare una valida spiegazione). Non c'è dubbio, però, che nei prossimi anni la materia oscura, pur così sfuggente, sarà al centro della scena.

Massimo Pietroni è primo ricercatore della Sezione di Padova dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN).





Torna alla categoria Astrofisica e Cosmologia

ARCHIVIO ARTICOLI
arrow Politica della ricerca - Dibattiti
arrow Astrofisica e Cosmologia
arrow Biologia e Medicina
arrow Fisica e Chimica
arrow Matematica
arrow Terra e Ambiente
arrow Teconologie
arrow Scuola e didattica
arrow Storia e filosofia della Scienza
arrow Comunicazione della Scienza
arrow
Appuntamenti a Padova
all'Università di Padova convegno del master convegno nazionale al San Gaetano 150 anni di evoluzione mostra a Padova
Scienza a Padova
Recensioni
dialogo a distanza con Woody Allen di Angelo Guerraggio e Vito Paoloni di Dava Sobel dialogo di Marco Alloni con Margherita Hack di Michael Frayn
Università di Padova
Notizie Brevi
40 anni fa a Padova uno dei pochi centri europei specializzati scoperto da un gruppo di ricercatori norvegesi un nuovo gigante che scruterà il cielo a Padova
Parole della Scienza
moderne e tradizionali organismi geneticamente modificati e il morbo della "mucca pazza" e le sue mille virtù riempie il cosmo