Dove eravamo rimasti: gli Indiana Jones della materia oscura

Astronomers unravel 20-year dark matter mystery with new computer models

In questa immagine composita ottenuta grazie al Digitized Sky Survey 2, vediamo a galassia nana Fornax è una delle più vicine alla Via Lattea. (Crediti: ESO/Digitized Sky Survey 2).

Una sostanza esotica che interagisce solo con la gravità e la forza nucleare debole. È la materia oscura, oggetto di numerosi esperimenti che utilizzano diverse tecnologie e sembrano raggiungere “risultati” differenti. La materia visibile ordinaria – pianeti, stelle, galassie e tutto ciò che vediamo – costituisce un mero 4,9% di tutta la materia dell’Universo. La maggior parte dell’Universo, 68,3%, è costituito da una forma di energia chiamata energia oscura, che si ritiene essere la causa dell’espansione del cosmo e della sua accelerazione. Il resto, circa il 26,8%, è costituito da materia oscura.

I fisici potrebbero non sapere esattamente cos’è la materia oscura, ma sono certi della sua esistenza. Gli studi sugli ammassi di galassie condotti nel 1933 da F. Zwicky e S. Smith ne hanno evidenziato per la prima volta l’esistenza. Un ammasso è un aggregato di molte galassie separato da grandi spazi vuoti: F. Zwicky e S. Smith hanno osservato che le velocità degli aggregati sono decisamente superiori a quelle previste per un sistema gravitazionale standard – intendendo con questo termine un sistema in cui la cui massa totale è identica a quella della materia visibile.

Negli anni quaranta, Jan Oort ha scoperto che la densità della materia in prossimità del Sole è quasi il doppio di quanto potrebbe essere se fosse riconducibile a quella delle stelle e dei gas presenti in quella regione astrale. Nei decenni successivi, gli astronomi hanno sviluppato una teoria della materia oscura e della formazione delle strutture che spiega le proprietà degli ammassi e delle galassie nell’Universo; consapevoli di essere lontani da una Teoria del Tutto coerente, il principale problema restava quello della natura e dei comportamenti di questo tipo di materia.

Decenni dopo, Vera Rubin e Kent Ford hanno trovato ulteriori prove della materia oscura di Zwicky nelle stelle che orbitano intorno alla periferia di galassie a spirale. Le stelle avrebbero dovuto orbitare più lentamente quanto più erano distanti dal centro delle galassie, proprio come i pianeti esterni del nostro sistema solare orbitano attorno al sole più lentamente. Invece, le stelle esterne si muovevano velocemente come quelle vicine al centro:doveva esserci qualcosa d’altro che causava l’aumento dell’attrazione gravitazionale. La materia oscura non era l’unica spiegazione possibile. Forse il modello teorico di Einstein per la gravità doveva essere modificato. Ci sono stati infatti molti modelli alternativi proposti come, ad esempio, la MOND (Modified Newtonian Dynamics): proprio Vera Rubin parla di questo approccio in un articolo (New Scientist 2005) sostenendo che è  “more appealing than a universe filled with a new kind of sub-nuclear particle”.

Nel 2006 un’ immagine sorprendente della cosiddetta Bullet Cluster (tecnicamente 1E 0657-56) in gran parte ha reimpostato la questione. Mostrava due ammassi che erano passati l’uno attraverso l’altro creando fuori dai gas che si scontrano un’onda d’urto a forma di proiettile. L’analisi risultante è stata sorprendente: il gas caldo (composto da materia ordinaria) era tenuto insieme verso il centro, dove la collisione ha avuto luogo, mentre su entrambi i lati c’era una concentrazione di materia più fredda che poteva essere solo materia oscura. Ecco qual è l’evidenza significativa: quando gli ammassi entrano in collisione, la materia oscura ci passa attraverso quasi del tutto indisturbata, visto che interagisce così debolmente con la materia ordinaria.

Immagine composita della Bullet Cluster. (Crediti:NASA, University of Arizona).

“Penso che questa evidenza renda tutti molto fiduciosi sull’esistenza della materia oscura”, ha precisato Dan Hooper, fisico dell’Università di Chicago. “Per quanto io sappia, non esiste una teoria della gravità modificata che potrebbe spiegare questo fenomeno”. Le WIMPs (Weakly Interacting Massive Particle) sono i candidati migliori quando si cercano particelle di materia oscura. Simili ai neutrini, dopo la scoperta del bosone di Higgs che, in certo modo, mette un punto sul Modello Standard, ora molti fisici ritengono che questo sia il decennio della materia oscura. Inizialmente si cercavano particelle con un’energia di circa 100 giga-electron volts (GeV). Ma le ultime evidenze sperimentali, peraltro non ancora confermate, suggeriscono che le WIMP abbiano un’energia che oscilla tra  7 GeV e 10 GeV. Questo rende il rilevamento diretto di più difficile, perché molti degli esperimenti alla ricerca di materia oscura si basano sulla misurazione delle collisioni nucleari.

Gli esperimenti hanno un set up comune. Sono di solito effettuati in profondità – il luogo migliore per bloccare i raggi cosmici che possono essere facilmente confusi con un segnale di materia oscura – e dispongono di un rivelatore dotato di un materiale bersaglio scelto con cura, come il germanio, i cristalli di silicio o lo xeno allo stato liquido. Da questi esperimenti ci si aspetta una rara collisione tra una particella di materia oscura e il nucleo di un atomo del materiale bersaglio. Questo fenomeno dovrebbe dare origine ad un minuscolo lampo di luce e, se questo flash è abbastanza forte, potrà essere registrato dal rivelatore.

Questo significa che, per essere rilevata, la particella di materia oscura deve trasferire energia sufficiente quando “bussa” alla porta del nucleo bersaglio; inoltre il segnale risultante dovrà essere sufficientemente energetico da superare la soglia di energia del rivelatore stesso. Neal Weiner, fisico della New York University, fa notare con efficacia le difficoltà insite in queste ricerche: è come se facessimo collidere una pallina da ping pong con una palla da bowling “Cinematicamente è molto più facile per una particella più pesante trasmettere energia ad una particella più leggera e non viceversa”.

Come fanno i fisici ad analizzare i dati offerti da questi esperimenti? Cercano salti nei dati raccolti: la forza di un segnale è determinata dal numero di deviazioni statistiche standard, o sigma, dallo sfondo previsto (un risultato di 3 sigma è un forte indizio, mentre 5 sigma equivale ad un risultato certo). Considerando anche le difficoltà derivanti dall’ineliminabilità del rumore di fondo, per adesso siamo ad una confidenza di 2,8 sigma per la materia oscura. Ciò posto, alcuni esperimenti hanno dato risultati promettenti.

I progetti di ricerca. Dieci anni fa, l’esperimento DAMA/LIBRA (Dark Matter/Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes) che si trova in profondità nel Gran Sasso,  ha rilevato piccole fluttuazioni nel tasso di eventi di collisione per più di un anno. I ricercatori hanno sostenuto che era stata rilevata una particella di materia oscura sotto forma di un bagliore di WIMP di circa 10 GeV. Altri fisici hanno espresso forti dubbi, tra cui i fautori del CoGeNT. Sebbene quello di DAMA / LIBRA fosse un segnale inequivocabile, potrebbe essere la prova di qualcosa d’altro, non necessariamente della presenza di una WIMP.

Non hanno aiutato XENON10, sempre nel Gran Sasso, né la Cryogenic Dark Matter Search II (CDMSII), ospitata in una miniera profonda in Soudan, Minnesota, in quanto non sono riusciti a rilevare un segnale in questo intervallo di energia. Entrambi gli esperimenti sono sufficientemente sensibili e avrebbero dovuto rilevare il segnale se se il risultato DAMA / LIBRA confermavano la presenza di una WIMP. Per fare un esempio, CDMSII nel 2010 ha analizzato ben 15 mesi di dati.  Gli scienziati hanno dovuto attendere CRESST (Cryogenic Rare Event Search with Superconducting Thermometers) per rilevare il segnale. Ciò nonostante, i risultati non erano del tutto coerenti con i dati ricavati da DAMA / LIBRA.

CDMSII ha presentato i suoi ultimi risultati nel mese di aprile mostrando tre eventi energetici molto vicini ai 10 GeV. Questo risultato ha spinto i fisici di XENON10 a rivedere i risultati del biennio precedente e a continuare le ricerche. Le WIMP non solo sembrano abbastanza plausibili ma potrebbero non essere l’unica risposta alla materia oscura.

Per fare il punto della situazione rispetto agli articoli che scriverò sulla materia ed energia oscura, riporto qui l’articolo comparso il 22 luglio 2013 su cyberscienza.it (una testata che tra qualche mese non sarà più on line).

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