È giunto il momento di considerare che la materia oscura non esiste? È tempo di cercare altre alternative per spiegare di cosa è fatto l’80% dell’Universo sconosciuto? Al momento, alcuni scienziati stanno valutando la possibilità che la materia oscura non sia materia, ma un artefatto causato da una comprensione incompleta della teoria della gravità.
All’origine dell’Universo
Ad oggi, c’è consenso tra gli scienziati sul fatto che la teoria che meglio descrive l’origine dell’Universo sia quella del Big Bang. Così, l’Universo nacque circa 13,8 miliardi di anni fa da una singolarità infinitamente densa che esplose. L’esplosione ha generato una grande quantità di energia e materia. E da allora tutto ciò si è ampliato.
Sorprendentemente, conosciamo e comprendiamo solo il 5% della materia che esiste nell’Universo. Anche di questa piccola percentuale ci sono aspetti che non siamo stati in grado di spiegare, come la differenza tra materia e antimateria.
La fisica delle particelle elementari e lo studio delle interazioni tra di esse cercano di rivelare lo stato e l’evoluzione dell’Universo. E tra tutte le incognite da risolvere, determinare la natura della materia oscura è una delle più importanti nella cosmologia moderna e nella fisica delle particelle.
Sappiamo che l’Universo è fatto di materia visibile e materia oscura. In particolare, la materia visibile, detta anche materia ordinaria o materia barionica, è tutto ciò che è costituito da leptoni (particelle elementari) e barioni (costituiti da quark, anch’essi particelle elementari). Di questo tipo è solo il 20% della materia nell’Universo, il restante 80% è materia oscura.
Oltre alla sua composizione, sappiamo che deve esserci un agente che spieghi l’espansione accelerata dell’Universo, che per il momento è attribuita alla cosiddetta energia oscura.
La scoperta di Vera Rubin
La materia oscura insieme all’energia oscura costituiscono quasi il 95% dell’Universo. Non possiamo vederla, poiché non emette alcun tipo di radiazione elettromagnetica.
Gran parte delle prove della sua esistenza provengono dallo studio dei movimenti delle galassie. L’analisi del fondo cosmico a microonde fornisce anche informazioni sulla quantità di materia visibile e oscura esistente.
Nel 1933 Fritz Zwicky propose l’esistenza di una massa invisibile che potesse influenzare la velocità di rotazione delle galassie. La pioniera Vera Rubin, con le sue misurazioni della curvatura della velocità di rotazione delle stelle all’interno delle galassie a spirale, ha scoperto che queste curve rimangono piatte.
La scoperta di Vera Rubin contraddiceva il modello teorico che prevedeva che le stelle più lontane dal centro della galassia avrebbero velocità inferiori. Questo fatto non può essere spiegato solo con l’esistenza della materia visibile e della sua massa gravitazionale associata, ma ci deve essere un’altra forma di materia che fornisce anche energia gravitazionale. Questa è la prova più diretta e solida dell’esistenza della materia oscura.
Da quel momento, e durante i decenni successivi, sono state raccolte più prove relative alla materia oscura, al punto che oggi la stragrande maggioranza degli scienziati ne accetta l’esistenza.
Esperimenti di primo livello alla ricerca della materia oscura
La materia oscura è composta da particelle che non assorbono, riflettono o emettono luce, non possono essere viste direttamente e la sua composizione è sconosciuta.
Gli scienziati hanno escogitato diverse strategie per trovare queste potenziali particelle candidate alla materia oscura. Trovarli è una delle più grandi sfide della fisica odierna.
Esistono diverse strategie di ricerca per la materia oscura, diretta, indiretta o con acceleratori di particelle.
Il progresso tecnologico negli ultimi decenni è stato enorme. Ci sono decine di esperimenti attivi dedicati alla comprensione della natura della materia oscura con strumenti altamente sensibili e precisi.
Questi esperimenti sono diffusi in tutto il mondo, ce n’è uno anche sulla Stazione Spaziale Internazionale (ISS), e fanno parte di collaborazioni internazionali di decine di scienziati.
Gli esperimenti ANAIS, DAMA, XENON100 e LUX utilizzano tecniche di rilevamento diretto; MAGIC, HESS, VERITAS, Fermi e AMS (sulla ISS), tra gli altri, si basano su tecniche indirette, per l’osservazione di ciò che accade in natura alla ricerca di particelle elementari.
Nel primo caso, da mezzi diretti, si studiano particelle che derivano da collisioni di particelle di materia visibile con particelle di materia oscura, e nel secondo caso, da mezzi indiretti, si studiano particelle da collisioni tra particelle di materia esclusivamente oscure.
L’LHC “produce” particelle di materia oscura
Negli acceleratori di particelle energetici come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare, è possibile ricreare le condizioni di pochi secondi dopo il Big Bang e produrre o “fabbricare” particelle di materia oscura da collisioni di particelle altamente energetiche protoni.
Gli acceleratori sono dispositivi che consentono di aumentare l’energia cinetica di particelle cariche stabili.
L’LHC è l’ultimo di una catena di acceleratori che riesce a raggiungere energie fino a quasi 7 TeV (tera elettronvolt) per ogni fascio di protoni. Intorno ai punti di collisione sono posizionati dei rivelatori in grado di misurare e identificare le particelle che vengono prodotte in ogni collisione, in modo che possano poi essere studiate.
Gli esperimenti ATLAS e CMS sono incaricati di queste ricerche presso l’LHC del CERN. Questi esperimenti sono gli stessi che dopo una lunga ricerca hanno scoperto il bosone di Higgs nel 2012, completando così il Modello Standard della Fisica delle Particelle e aprendo una nuova era nel campo.
Questo risultato è stato riconosciuto nel 2013 con il Premio Nobel per la Fisica e il Premio Principe delle Asturie per la ricerca scientifica e tecnica.
La difficoltà di identificare le particelle di materia oscura candidate in questi tipi di esperimenti è che la materia oscura interagisce molto debolmente con la materia ed è praticamente impossibile in questi casi trovarne traccia.
Scavare in processi sconosciuti
Incorporando teorie al di là del modello standard come la supersimmetria, modelli semplificati con bosoni scalari o modelli del settore nascosto o del settore oscuro, le ricerche vengono eseguite dalle loro disintegrazioni in particelle ordinarie che possono essere osservate. Queste ricerche ci portano a studiare processi sconosciuti che potrebbero essere quelli che ci permetteranno finalmente di comprendere la composizione della materia oscura, qualcosa che supererebbe la frontiera della conoscenza attuale.
Ad oggi non è stato trovato nulla sui possibili candidati alla materia oscura, è una grande incognita, un mistero ancora irrisolto che è rimasto senza risposta per decenni. E tra i fisici cominciano ad esserci opinioni discordanti.
Non abbiamo risultati conclusivi in nessuna delle strategie di ricerca utilizzate in accelerato o astroparticelle e tutte le possibilità sono aperte.
Ci sono scienziati che stanno cominciando a considerare che non c’è
L’anno scorso è stato pubblicato un articolo su The Astrophysical Journal che proponeva di definire la materia oscura come una modificazione della gravità. Questo articolo proponeva che in realtà non esiste materia oscura, ma piuttosto che ci sono parti della forza di gravità che non comprendiamo completamente. La sua pubblicazione ha suscitato grande scalpore ed entusiasmo, ma sono state immediatamente pubblicate risposte che hanno evidenziato incongruenze di cui gli autori dell’articolo non hanno tenuto conto. Quindi per ora pensiamo ancora che ci sia materia oscura.
Ci sono grandi aspettative per il rilevamento della materia oscura nei prossimi anni, anche se, molto probabilmente, la risposta non verrà da uno solo di questi studi ma da tutti insieme. La ricerca continua.
Autore
Barbara Álvarez González, Università di Oviedo
