Infn: Alla ricerca della Materia Oscura

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E’ cinque volte più abbondante della materia ordinaria ma sulla sua natura si sa davvero poco e decenni di ricerche non hanno dato frutti. Gli scienziati stanno provando a catturarla da terra, spazio, mare e ghiaccio. Ecco perché l’anno appena iniziato potrebbe portarci i primi indizi (o suggerirci che dobbiamo cambiare strada).

“Ci deve essere altra materia, in queste galassie, che non riusciamo a vedere”. Era il 1970 quando l’astrofisico australiano Ken Freeman lo scrisse. Non poteva saperlo, ma stava lanciando una caccia al tesoro di cui ancora si attende il primo indizio.

Nel 2017 potrebbe accendersi la prima lampadina sul mistero della materia oscura: un qualcosa che esercita la sua forza di gravità sulle galassie, che è 5 volte più abbondante della materia ordinaria e di cui osserviamo gli effetti. Secondo alcuni, avrebbe addirittura contribuito all’estinzione dei dinosauri. Ma sulla sua natura nulla di più sappiamo dire. La sua esistenza ormai viene esclusa da pochi (anche se, come vedremo, l’impazienza dopo anni di ricerche sta allargando la pattuglia). Su cosa essa sia, esistono solo ipotesi. “Abbiamo tracciato l’identikit di una particella che potrebbe essere l’elemento base della materia oscura. Ora cerchiamo di usare tutte le abilità di Sherlock Holmes per catturarla” spiega Antonio Masiero, vicepresidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn), fisico teorico all’università di Padova e presidente dell’Astroparticle Physics European Consortium. “Proviamo con osservazioni dirette, indirette, dalla terra, dal cielo, dalle miniere, da 3mila metri in fondo al mare (in Sicilia con l’esperimento Km3NeT) e dalle profondità del ghiaccio antartico. Tutte le strade sono buone per identificare il nostro ricercato speciale.”.

Materia oscura, ecco gli indizi che abbiamo

Un secondo indizio arrivò invece, qualche anno più tardi, dallo studio delle galassie a spirale, il gruppo di galassie di cui fa parte (per intenderci) la Via Lattea. La fisica predice infatti che la velocità delle stelle dovrebbe diminuire allontanandosi dal centro galattico (il centro di rotazione di una galassia), ma nel 1966 i fisici Vera Rubin e Kent Ford, impegnati a studiare la galassia di Andromeda, scoprirono la velocità delle sue stelle rimane costante anche allontanandosi verso le zone più esterne. L’unica possibilità, ipotizzarono i due scienziati, è che la massa delle galassie non sia interamente definita dagli oggetti che possiamo vedere con i telescopi: ancora una volta, si tornò a parlare della misteriosa materia oscura.

All’inizio del 2016 è stato inaugurato un nuovo rivelatore nel laboratorio dell’Infn sotto al Gran Sasso (Xenon1T). Nel 2017 accenderà i suoi occhi un esperimento analogo in una miniera australiana, la Stawell Mine. “Come Infn, abbiamo in programma quello che può essere definito l’esperimento di frontiera. Si chiama DarkSide” aggiunge Masiero. Consiste in un enorme contenitore di argon, un gas nobile. “Speriamo che le particelle di materia oscura si comportino con i nuclei degli atomi di argon come una palla da bowling con i birilli: che ogni tanto ne colpisca qualcuno, inviandoci un segnale”.

La Terra investita dall’onda gravitazionale dell’esplosione di Betelgeuse

DarkSide, il nuovo cacciatore di materia oscura all’INFN del Gran Sasso

DarkSide-50 è il nuovo esperimento dedicato allo studio della materia oscura. Ha iniziato da pochi mesi la sua attività sotto i 1400 metri di roccia del massiccio del Gran Sasso, dove si trovano i Laboratori dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Ora presenta i suoi primi risultati e si dimostra un successo di tecnologia. E’ una “matrioska” con un cuore di Argon liquido alla temperatura di -189 °C, che rappresenta il bersaglio delle ipotetiche WIMP (Weakly Interacting Massive Particle), ad oggi i più probabili candidati come particelle costituenti la materia oscura. Nonostante costituisca il 26% di ciò che esiste nel nostro universo e sia in quantità cinque volte maggiore rispetto alla materia di cui è fatto tutto ciò che conosciamo, la materia oscura ci è ancora sconosciuta: studiarla è una delle sfide fondamentali della fisica moderna, nella strada verso la comprensione ultima di come è fatto l’universo che ci ospita.

In cielo, telescopi terrestri e spaziali hanno già disegnato mappe molto dettagliate dei “nascondigli” della materia oscura. Sappiamo esattamente dove dovrebbe trovarsi (inclusa la nostra galassia). Ma ci mancano gli occhi per osservarla. Le sue particelle– se davvero esistono – non interagiscono infatti con nulla, o quasi. Come rilevarle? Fotoni ad alta energia, antimateria, neutrini potrebbero essere gli indizi che qualcosa è avvenuto al suo interno, ad esempio potrebbero derivare dalla annichilazione di particelle di materia oscura che si incontrano tra loro. “Ma, a parte i rilevanti progressi nelle nostre capacita’ osservative, grandi risultati, in realtà, non sono arrivati nemmeno da qui. E’ per questo che la nostra ricerca si sta allargando a 360 gradi includendo anche altri candidati di materia oscura oltre al maggiore ‘sospettato’, la particella Wimp. Va in particolare verificato l’unico indizio di materia oscura che proviene dall’esperimento Dama al laboratorio del Gran Sasso” dice Masiero.

Il “dark side” dell’Universo: la materia oscura è anche intorno a noi

C’è materia oscura nella nostra Galassia. È stata “scoperta” grazie a uno studio coordinato da ricercatori italiani. È il primo passo per capire il lato oscuro dell’Universo. In questa immagine la mappa delle stelle e nubi di gas usate per individuare la materia oscura nella Via Lattea (sullo sfondo). I colori dipendono dal moto relativo rispetto al Sole, e l’alone blu illustra la distribuzione di materia oscura derivata in questo nuovo studio (Credits: APOD/Serge Brunier). (A cura di Massimiliano Razzano)

Ecco allora che gli scettici cominciano a cercare strade alternative. C’è chi prova a misurare i sobbalzi che la diversa densità di materia dovrebbe avere nell’universo usando degli orologi atomici precisissimi (un’idea appena avanzata su Nature Astronomy da un gruppo di scienziati polacchi). Chi ipotizza che la forza di gravità in eccesso sia esercitata in realtà dai buchi neri. E chi sostiene addirittura che se le leggi di Newton ed Einstein non riescono a spiegare la posizione e la velocità delle galassie che osserviamo, potrebbero essere queste leggi a sbagliare.

Ne è convinto Erik Verlinde, professore di fisica teorica all’università di Amsterdam, che ha lavorato ad alcune sue teorie insieme al gemello Herman. Secondo lui la materia oscura non esisterebbe affatto. La stessa forza di gravità sarebbe solo un effetto del comportamento collettivo degli atomi, riconducibile alle leggi della termodinamica. E le strane posizioni delle galassie possono essere spiegate con l’interazione fra materia ordinaria ed energia oscura (un altro mistero, se possibile ancora più profondo, dell’astrofisica).

Fu così anche per il bosone di Higgs e le onde gravitazionali: dopo anni e anni di insuccessi nella loro caccia, i fisici iniziarono a pensare che probabilmente non esistevano. Poi, dopo rispettivamente 48 e 100 anni di frigo, le bottiglie di spumante sono state finalmente stappate, rispettivamente nel 2012 e nel 2016. Forse il 2017 non sarà ancora l’anno giusto per la materia oscura. Ma anche solo una prima lampadina sarebbe sufficiente.

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