La materia oscura stealth

La materia oscura sarebbe inafferrabile, furtiva, stealth. Da quanto emerge dai calcoli dei fisici del Lawrence Livermore National Laboratory e dai modelli dati in pasto a Vulcan (un supercomputer per il calcolo parallelo in grado masticare numeri al ritmo dei petaflop), sarebbe questa la natura della materia oscura: stealthy, appunto. Per forza non c’è ancora esperimento che sia riuscito a rilevarla.

L’articolo, intitolato Direct Detection of Stealth Dark Matter through Electromagnetic Polarizability è in corso di pubblicazione per la rivista Physical Review Letters ma disponibile su arxiv.

(1) Che cosa sappiamo. Nelle galassie la concentrazione delle stelle diminuisce più ci si allontana dal nucleo, e la velocità delle stelle che abitano la regione esterna al nucleo decresce all’aumentare della distanza. Questo ci dice la legge di gravitazione universale di Newton. Ma c’è un problema: le osservazioni smentiscono questa spiegazione. La velocità delle stelle anche lontane dal nucleo è molto maggiore di quella attesa e, inoltre, non diminuisce affatto con la distanza!

Cosa significa? Che c’è più massa di quella che vediamo. Se, infatti, si correggono i calcoli ammettendo che c’è una materia invisibile e non concentrata nel nucleo, la cui attrazione gravitazionale è responsabile del moto delle stelle, allora le equazioni confermano che le stelle sono letteralmente circondate da una grande massa invisibile. La stessa cosa vale per gli ammassi di galassie. Conoscendo la massa totale di un ammasso si può calcolare il moto relativo di ciascuna galassia presente in esso. Anche in questo caso le osservazioni sperimentali, per essere coerenti con la formula newtoniana, richiedono un surplus di materia, visto che le velocità delle galassie sono anche di 400 volte maggiori di quelle calcolate. 

L'ammasso di galassie Abell 1689 osservato dal Telescopio Spaziale Hubble

L’ammasso di galassie Abell 1689 osservato dal Telescopio Spaziale Hubble.

Un’altra conferma viene dalla forma dell’Universo. L’Universo ha una curvatura spaziotemporale nulla, il che significa che è piatto.Questo comporta che la sua densità di massa totale deve essere uguale a un valore noto, la Densità Critica (circa 10-30 g/cm3). Anche questo valore si spiega solo ammettendo la presenza di materia invisibile. Oggi sappiamo che il Modello Standard spiega solo il 4% della materia/energia dell’Universo; il resto è materia oscura per il 24% ed energia oscura per il 72%. Secondo il principio di equivalenza di Einstein (E=mc2), l’energia oscura rende conto della maggior parte della massa/densità dell’Universo, visto che si comporta come una gravità negativa – tende a far espandere l’Universo – e si contrappone alla decelerazione dovuta all’attrazione gravitazionale della materia (barionica e non).

(2) Cosa ci dice questa nuova ricerca? Che la materia oscura avrebbe natura composita e confinata. Come un neutrone o un protone, quindi. Solo che a comporla sarebbero dei fermioni dark. Una sorta di “quark oscuri” confinati in nuclei di stealth matter da una forza anch’essa dark e sconosciuta: l’equivalente oscuro dell’interazione forte descritta dalla QCD, la cromodinamica quantistica. L’interazione forte può essere osservata in scala più piccola fra quark a formare i protoni, i neutroni ed altre particelle, e in scala più grande (dove si parla più propriamente di “forza nucleare forte”) fra protoni e fra neutroni a formare il nucleo dell’atomo. Nel primo caso le particelle mediatrici dell’interazione sono i gluoni, nel secondo i pioni.

È davvero singolare che una candidata particella di materia oscura, centinaia di volte più pesante d’un protone, possa essere costituita da componenti elettricamente cariche e, nonostante questo, possa esser riuscita a eludere, fino a oggi, il rilevamento diretto”, spiega Pavlos Vranas (LLNL) uno dei coautori dell’articolo.

Ma non è sempre stato così. Nell’epoca immediatamente successiva al Big Bang, per esempio, la temperatura era talmente elevata da presentare le condizioni giuste affinché materia ordinaria e materia stealth riuscissero a interagire senza difficoltà. Condizioni che, sostengono gli autori dello studio, disponendo di acceleratori sufficientemente potenti potrebbero essere ricreate anche oggi. Permettendo così una rilevazione diretta della dark matter. Questo perché, sebbene i nuclei di materia oscura  stealth – proprio come i protoni – siano estremamente stabili anche su scale cosmiche, quando si creano (come avveniva nell’universo primordiale) dovrebbero produrre una cascata di altre particelle nucleari a decadimento rapido. Particelle che potrebbero dar luogo a interazioni.

Certo, si potrebbe pensare che sia piuttosto comodo spiegare l’oscurità della materia oscura ipotizzando un intero mondo oscuro dove una sorta di “quark oscuri” vengono tenuti assieme da una sorta di “interazione forte” oscura anch’essa, no? Ma il modello non si limita a questo.

La materia oscura è oscura proprio perché interagisce in maniera quasi impercettibile con la materia visibile. Qualsiasi teoria per la materia oscura deve poter spiegare il fatto che l’interazione attuale con la nostra materia è così minimale, ma allo stesso tempo che le due siano state in interazione all’inizio dell’universo. La nostra teoria, che comunque non consiste in una “copia oscura” della materia visibile (basti il fatto che i “barioni” stabili sono “bosoni”, come per esempio i mesoni della nostra materia, e non “fermioni” come i protoni o i neutroni)”, spiega a Marco malaspina di Media INAF uno dei coautori dello studio, Claudio Rebbi, della Boston University. 

Mappa 3D della distribuzione su larga scala della materia oscura ricostruita da misure di lente gravitazionale debole utilizzando il telescopio spaziale Hubble

Mappa 3D della distribuzione su larga scala della materia oscura ricostruita da misure di lente gravitazionale debole utilizzando il telescopio spaziale Hubble.

Fino ad oggi alcuni pensavano avesse una componente barionica, e dunque propendevano per la teoria secondo cui le componenti della materia oscura sarebbero i MACHOs (Massive Astrophysical Compact Halo Objects, Oggetti astrofisici massicci e compatti di alone) ed emettono una quantità di luce troppo scarsa per poter essere visti. Altri, invece, ritenendo abbia una componente non barionica, ritengono sia fatta di WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles, particelle massive debolmente interagenti), che interagiscono pochissimo con la materia, ancor meno dei neutrini.

Sappiamo da qualche ano che la Cryogenic Dark Matter Search (Cdms), ha individuato tre particelle di materia oscura che hanno, più o meno, la stessa massa e il teamdella Coherent Germanium Neutrino Technology (CoGeNT) ha rilevato un segnale compatibile con una particella di materia oscura di massa compresa tra 7 e 11 GeV. 

Nel caso del modello stealth, che non è una copia esatta dell’interazione forte che conosciamo ma ha molti elementi in comune con questa, esiste la possibilità che questo mondo oscuro (con le sue nuove particelle) possa essere rivelato dagli esperimenti in corso al Large Hadron Collider al CERN di Ginevra.

Paper: arxiv.org/abs/1503.04205 

Fonti:

http://phys.org/news/2015-09-theory-stealth-dark-universe-mass.html

http://www.media.inaf.it/2015/09/25/materia-oscura-stealth/

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