Coelum Astronomia 210 - 2017 - Page 72

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Coelum Astronomia

Posizione geografica degli esperimenti da terra per la caccia alla materia oscura, sia attivi che non più in funzione. Tra i vari - esperimenti abbiamo:

- Telescopi a raggi gamma (indicati dal pallino nero) e per neutrini (indicati con il quadrato verde) utilizzati nella ricerca indiretta della materia oscura.

- Laboratori sotterranei (indicati dal triangolino magenta) utilizzati per osservazioni dirette.

- Accelleratori di particelle (indicati dal rombetto giallo) che tentano invece di produrre particelle di materia oscura tramite interazioni di materia barionica.

- Inoltre sono indicati (nell’immagine in basso a sinistra) i telescopi spaziali in orbita, che tutt’ora continuano a esplorare la natura della materia oscura. Crediti: Deliyergiyev, M.A. arXiv:1510.06927.

Identikit della particella di materia oscura

Considerando tutte le teorie formulate e gli studi condotti negli anni, è possibile formulare un identikit per descrivere le caratteristiche che avrebbe una ipotetica particella di materia oscura:

- La materia oscura interagisce pochissimo con la

materia comune (barionica): le uniche interazioni osservate sono quelle gravitazionali.

- Le osservazioni portano a pensare che la materia

oscura non possa essere costituita di materia ordinaria. Anche le analisi condotte sulla radiazione cosmica di fondo indicano che la materia oscura non facesse parte del plasma primordiale e di conseguenza essa deve essere priva di carica elettrica.

- La materia oscura è molto stabile e, se decade,

deve farlo a ritmi estremamente lenti.

- La materia oscura non interagisce molto

nemmeno con se stessa. Anche le osservazioni sul Bullet Cluster confermano che le nubi di materia oscura si possono attraversare senza produrre alcuna alterazione o interazione tra esse.

- Le più recenti misure indicano che la materia

oscura costituirebbe circa l'86% della massa dell'universo, quindi dovrebbe essere estremamente abbondante.

- La materia oscura è fredda.

Particelle di Materia Oscura

Di cosa è fatta la materia oscura? Sappiamo bene che la materia “ordinaria” è composta di particelle elementari: elettroni, protoni e neutroni, questi ultimi due a loro volta composti da quarks e gluoni. Le particelle elementari che conosciamo interagiscono attraverso le tre interazioni fondamentali del Modello Standard: la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza nucleare forte (in aggiunta alle molto più deboli, ma comunque fondamentali, interazioni gravitazionali). Non sappiamo, invece, praticamente nulla del “settore oscuro” dal punto di vista del costituente elementare. Non è però irragionevole supporre che, come il settore “visibile”, anche quello oscuro sia costituito da microscopiche entità fondamentali, o particelle, interagenti o attraverso le interazioni del Modello Standard a noi noto, o attraverso nuove interazioni “oscure”, che coinvolgono cioè particelle del settore oscuro (e possibilmente anche del settore visibile).

La meccanica quantistica prevede dei limiti alla massa della particella di materia oscura. Per esempio, se la particella è un “bosone” (ossia possiede spin intero, 0, o 1, o 2 ecc.), potrebbe essere molto leggera. Tuttavia, più la particella è leggera, più è grande la corrispondente “lunghezza d’onda di De Broglie”, una grandezza che caratterizza il comportamento ondulatorio di una particella e che cresce inversamente con la massa. Per poter formare galassie nane (oggetti dominati dalla materia oscura, con un rapporto tra la massa di materia ordinaria su quella oscura anche di uno a mille!), questa lunghezza d’onda deve essere più piccola delle dimensioni del corrispondente alone di materia oscura, dell’ordine di 1 kiloparsec. Traducendo la lunghezza in massa, possiamo concludere che una particella bosonica di materia oscura non può “pesare” meno di 10-22 eV, overo meno di un miliardesimo di miliardesimo di miliardesimo della massa di un protone… Se la particella è invece un “fermione” i limiti sono più stringenti, di nuovo per via di un fenomeno quantistico, il principio di esclusione di Pauli, materia oscura fermionica deve pesare più di un keV, un milionesimo della massa del protone.

Di certo non sono state ancora osservate sperimentalmente – esistono ancora limiti osservativi sulla forza delle interazioni della materia oscura con se stessa e con particelle di materia ordinaria – e al momento non è nemmeno ancora chiaro se tali interazioni debbano esistere o meno.

Che criteri esistono quindi per guidare chi, proprio come me, si occupa di formulare candidati teorici per il costituente particellare della materia oscura?