Un universo specchio potrebbe essere la causa della materia oscura

Se la lotta per comprendere fisicamente il cosmo fosse un torneo medievale, la materia oscura sarebbe Ivanhoe. Tutto il pubblico trattiene il respiro aspettando che l’eroe si tolga l’elmo e riveli il suo vero volto.

Questa sfida della scienza richiede di far lavorare insieme due comunità che gradualmente si stanno liberando dai loro pregiudizi reciproci. Da un lato abbiamo la cosmologia, che esplora le scale più grandi dell’universo. Dall’altro, la fisica delle alte energie. E sempre più è chiaro che comprendere la materia oscura richiede uno sforzo congiunto.

Il mistero della materia oscura

Negare l’esistenza della materia oscura, quel componente sfuggente dell’universo, oggi sarebbe un’atrocità. Avrebbe senso solo dall’eterodossia o dall’ignoranza.

Le curve di rotazione delle galassie, l’effetto di lente gravitazionale o il fondo cosmico a microonde non lasciano dubbi sulla sua esistenza.

Vorremmo avere un modello di particelle che spiegasse il mistero a livello microscopico. In questo modo sarebbe collegato a quasi tutta la fisica che conosciamo. E dico “quasi” perché la gravità ha lo stesso problema: non conosciamo la particella che le corrisponde. Ma sarebbe un’uscita laterale, una metafora appropriata in questo mondo di fisica molto matematico.

Perché confidiamo che osservando la dinamica della materia conosciuta troveremo nuove forme di essa? Perché questo si collega a una lunga tradizione. L’esempio storico più noto e rilevante è quello dell’orbita di Urano. La sua stranezza non fu compresa fino a quando Nettuno non smise di essere un astro nascosto, e allora i pezzi del puzzle si incastrarono. Qualcosa di simile ci aspettiamo accada con la materia oscura.

La chiave del protone

Alcuni mesi fa è emersa una proposta sconcertante per spiegare la natura della materia oscura. Sarebbe qualcosa di semplice come un mare di neutroni sradicati. Ma rispetto a quali agenti della fisica non avrebbero radici? Niente di meno che i protoni. E questa stranezza è proprio la spiegazione di questo modello strano e innovativo.

Nel cosmo che conosciamo si verifica la strana coincidenza che i protoni e i neutroni hanno quasi la stessa massa. Questo permette loro di avere un’affinità reciproca, dando luogo ad atomi stabili. In altre parole, la tavola periodica è come la conosciamo grazie a questa somiglianza tra i due tipi di particelle.

Al contrario, se i protoni fossero un po’ più pesanti, decadrebbero in particelle meno pesanti (pioni, kaoni) e alcuni residui più leggeri. Fondamentalmente, la massa della particella originale deve essere maggiore della somma di quelle prodotte (come dice la formula di Einstein). E una maggiore massa del protone dà più spazio per l’emergere di una varietà interessante di particelle. Tra queste, perché no, quelle che danno consistenza alla materia oscura.

Ma non c’è motivo di spaventarsi, i protoni che conosciamo sono tremendamente stabili. Il tempo trascorso dal Big Bang è solo una minuscola frazione del tempo che si prevede rimangano integri uno qualsiasi di quei protoni.

Un universo specchio

L’ipotesi su cui si basa lo studio citato è che esista un settore oscuro che imiti il nostro modello standard di particelle. Naturalmente, questo mondo oscuro parallelo avrebbe le sue particelle e interazioni tra di esse. Il parallelismo o la simmetria speculare tra i due settori spiegherebbe la relativa somiglianza tra le abbondanze della materia ordinaria e della materia oscura.

Il tipo di relazione proposta tra i due settori è ciò che si chiama una simmetria discreta.

Questo tipo di relazioni matematiche è molto importante nelle teorie che descrivono le particelle come eccitazioni di campi quantistici. Un esempio con una certa somiglianza a quello recentemente proposto è la simmetria di parità. La sua violazione fu scoperta da Chien-Shiung Wu osservando direzioni preferenziali nell’emissione di elettroni durante il decadimento di un certo tipo di atomo di cobalto. Questo rafforza l’idea che la trasformazione di protoni o gruppi di essi (atomi) in altre particelle sia uno strumento abituale per comprendere la fisica fondamentale.

Proprio se i protoni dell’universo oscuro speculare fossero più pesanti, decadrebbero rapidamente. Se vogliamo vederlo in un altro modo, i protoni oscuri si evaporerebbero. Questo lascerebbe una traccia di neutroni abbandonati a un nobile destino: essere la materia oscura. Questo si adatta all’osservazione che la materia oscura interagisce molto poco con se stessa. Se accadesse il contrario, dovrebbero esistere dense accumulazioni di essa, e finora non ci sono prove di tale fenomeno.

Il settore oscuro

Ma in questo universo speculare del nostro deve essersi verificato anche un processo di formazione degli elementi chimici più leggeri. In questa fase di nucleosintesi, avvenuta nei primi minuti dopo il Big Bang, si formerebbero nell’universo speculare “versioni oscure” di idrogeno, elio e, in proporzioni minori, litio. Ma la vita di questi elementi sarebbe brevissima a causa della durata insignificante dei protoni oscuri che contengono.

Questo settore oscuro avrebbe la sua propria storia termica. All’inizio, i settori su entrambi i lati dello specchio avrebbero la stessa temperatura causata da frequenti scambi di energia. Questo potrebbe essere mediato da bosoni: sia quello di Higgs che umili fotoni. In entrambi i casi potrebbero rimanere tracce rilevabili rispettivamente nel grande collisore di adroni o nel fondo a microonde.

Successivamente, per le sue caratteristiche fisiche, il settore oscuro si raffredderebbe molto più velocemente di quello standard. Di questa fase potrebbero rimanere reliquie sotto forma di neutrini sterili e forse quelle elusive particelle speculari potrebbero essere rilevate.

Per fare una piccola battuta, si può concludere che c’è ancora molta luce da gettare su quella forma oscura di materia che continua a sconcertarci. Ma forse, come in un antico poema gotico, sarà finalmente un pallido riflesso (di uno specchio) a chiarire non la notte oscura, ma la materia oscura dell’universo.