Il lato oscuro della forza

In un’approfondita intevista  a Itay Yavin, del Centro di Cosmologia e Fisica delle Particelle dell’Università di New York, OggiScienza approfondisce il tema della materia oscura e rivela le ultime frontiere della ricerca ce vanno a scovarla direttamente nel nostro Sole.

INTERVISTE – Quattro quinti della materia nell’Universo è di natura del tutto sconosciuta: si tratta della materia oscura. I fisici stanno dando la caccia in tutti i modi a questa nuova sfuggente forma di materia e gli esperimenti dell’ultima generazione continuano a dare risultati contraddittori. Secondo Itay Yavin, del Centro di Cosmologia e Fisica delle Particelle dell’Università di New York, possiamo trovare la materia oscura proprio dove meno ce l’aspettiamo: dentro il Sole. OggiScienza lo ha intervistato, scoprendo che la materia oscura potrebbe aprirci una finestra su un nuovo mondo popolato da “forze oscure.”

OS: Cos’è la materia oscura?

IY: La Terra ruota attorno al Sole, mentre il sistema solare e tutte le altre stelle attorno a noi ruotano attorno al centro della Via Lattea: merito della forza di gravità, che è tanto più intensa quanto più materia c’è. Osservando il moto delle stelle, gli astronomi possono pesare la nostra galassia e determinarne la massa. Ma si può pesare la Via Lattea anche contando le stelle nella galassia, in base alla luce emessa. Questi due modi indipendenti di misurare la massa della galassia danno risultati diversi: il peso in base alla luce emessa è inferiore a quello ottenuto studiando la sua rotazione. La spiegazione più accreditata è che ci sia una certa quantità di materia che non riusciamo a vedere. Questa materia contribuisce alla forza di gravità, ma non emette luce: la cosiddetta materia oscura, di cui conosciamo la quantità ma la cui origine è ancora un mistero.

OS: La ricerca sulla materia oscura è stata appannaggio degli astronomi fino a poco tempo fa. Perché i fisici delle particelle se ne interessano proprio ora?

IY: La materia oscura potrebbe essere una nuova particella elementare e per questo i fisici delle particelle se ne stanno interessando. Già sappiamo che interagisce con la gravità; la domanda fondamentale è se interagisca o meno con le altre forze fondamentali. Non può interagire molto con la luce, altrimenti non sarebbe oscura, però nulla vieta che interagisca con la forza debole, che ha corto raggio ed è responsabile dei decadimenti radioattivi.

OS: Quali sono i nuovi mezzi con cui volete studiare la materia oscura?

IY: A noi fisici delle particelle piace molto far scontrare particelle elementari le une contro le altre e dedurne le proprietà in base ai prodotti della collisione. Purtoppo non sappiamo ancora come far scontrare due particelle oscure in un acceleratore. Cosa ci resta da fare allora? Per esempio, sappiamo quanta materia oscura c’è tutt’intorno a noi: possiamo mettere una grossa quantità di materia ordinaria nel laboratorio e monitorare attentamente e con molta pazienza quello che succede. Con un po’ di fortuna, una particella di materia oscura si scontrerà con uno dei nuclei atomici nel nostro laboratorio. Questo metodo può sembrare una pazzia, ma infatti è proprio così che osserviamo i neutrini che provengono dal Sole e così facendo abbiamo scoperto ad esempio che i neutrini hanno una massa, contrariamente a quanto si pensava – una delle scoperte più importanti del decennio scorso.

OS: Nel tuo ultimo articolo parli degli effetti della materia oscura nel Sole. Non è un paradosso?

IY: Sembra paradossale perché il Sole è così luminoso! Però è anche un enorme grumo di materia ordinaria, quindi è lecito supporre che, mentre il Sole si muove per la Via Lattea, ogni tanto della materia oscura si scontra con un nucleo atomico dentro alla nostra stella. Non possiamo osservare queste collisioni, però c’è una buona probabilità che la forza di gravità del Sole intrappoli la particella di materia oscura nelle vicinanze del Sole stesso. Allora la particella oscura inizierà a perdere energia ad ogni successiva collisione e piano piano affonderà nel centro del Sole. Dove comincia lo spettacolo. Quando si accumula in quantità sufficiente nel centro del Sole, c’è la possibilità che la materia oscura inizi ad annichilarsi, proprio come gli elettroni si annichilano con i positroni, fenomeno quest’ultimo che viene sfruttato nella procedura medica diagnostica detta PET.  Allo stesso modo, possiamo pensare di misurare l’annichilazione di materia  e antimateria oscura all’interno del Sole, con dei rivelatori posti sulla Terra. È un’idea ambiziosa, ma ci darà una prova inconfutabile che la materia oscura interagisce all’interno del Sole.

OS: Quali sono le frontiere della fisica della materia oscura?

IY: Prima di tutto, continuiamo a scoprire le proprietà della materia oscura con le osservazioni astronomiche. Il famoso Bullet Cluster [Ammasso Proiettile, ndr] è stato una conferma spettacolare dell’esistenza della materia oscura. Questo ammasso è formato da due separati ammassi di galassie che si stanno scontrando. Gli astronomi sono riusciti a misurare la distribuzione di materia luminosa, ma anche quella della materia oscura. Hanno scoperto che, mentre il gas rallenta nello scontro, le due distribuzioni di materia oscura si attraversano come se niente fosse, rinforzando la congettura che la materia oscura interagisca tramite la sola forza debole.

OS: Oltre alle osservazioni astronomiche, di quali altri strumenti disponiamo?

IY: Ci sono tre modi diversi per studiare le proprietà della materia oscura in laboratorio. Il primo, di cui ho già parlato, è l’osservazione diretta e consiste nel mettere insieme un’enorme quantità di materia ordinaria, aspettare e stare a guardare che succede. Anche se la probabilità che avvenga un’interazione è minuscola, se mettiamo abbastanza materia e guardiamo per abbastanza tempo possiamo sperare di osservare qualcosa: ad esempio mettendo cinquantamila tonnellate di acqua purissima in una vasca sotto il monte Kamioka, in Giappone. Per il momento, i risultati di questi esperimenti sono contraddittori: uno di essi ha visto una collisione, altri dicono che non è vero. Lo slogan da seguire per me è che “scoperte straordinarie hanno bisogno di prove straordinarie,” quindi è meglio aspettare che vengano raccolti più dati e si chiarisca la situazione.

Il secondo metodo è l’osservazione indiretta, ad esempio grazie all’annichilazione all’interno del Sole. Ma se questa annichilazione può avvenire dentro una stella, può accadere anche nello spazio interstellare, producendo raggi gamma e altre particelle che possiamo poi osservare con dei satelliti in orbita intorno alla Terra. Il satellite FERMI, ad esempio, sta osservando delle anomalie che potrebbero essere un indizio di materia oscura, ma ancora una volta ci servono più dati per avere una risposta definitiva.

Il terzo metodo per studiare la materia oscura è ovviamente produrla in un acceleratore di particelle. Così come la materia oscura si può annichilare per produrre materia ordinaria, anche il contrario può accadere: scontrando due protoni ad altissima energia ad LHC, a Ginevra, speriamo di produrre della materia oscura.

OS: Quanto tempo manca alla scoperta della materia oscura?

IY: È difficile dirlo: forse la materia oscura interagisce in maniera troppo debole con quella ordinaria e non la vedremo mai. Questo sarebbe triste, perché potremo studiarla soltanto grazie alle sue proprietà gravitazionali e non sapremo che relazione ha con le altre particelle elementari. Siccome la materia ordinaria è solo un quinto della materia totale dell’Universo, non capiremo mai di cosa è fatta la maggior parte di quello che ci circonda. Ma ci sono buone ragioni per sperare che la materia oscura verrà scoperta con uno degli esperimenti che ho menzionato, nel giro di qualche anno.

OS: Che idea ti sei fatto della materia oscura? Cosa potrebbe essere?

IY: Potrebbe essere un’unica particella nuova molto pesante, che interagisce con la materia normale grazie alle interazioni deboli, proprio come i neutrini. I neutrini stessi non possono spiegare la materia oscura, perché son troppo leggeri, ma una particella simile e molto più pesante è il candidato più gettonato, detto in gergo WIMP, ovvero Weakly Interacting Massive Particle [in inglese vuol dire mammoletta, ndr]. Però le ultime osservazioni suggeriscono una storia molto più affascinante: la possibilità che esista un vero e proprio “settore oscuro” dell’Universo. Il WIMP di cui sopra potrebbe essere parte di una nuova famiglia di particelle, che interagiscono debolmente con la materia normale. Questi WIMP potrebbero poi interagire tra di loro tramite delle nuove forze non ancora osservate, dei “fotoni oscuri,” a cui molti nuovi esperimenti stanno dando la caccia. Il settore oscuro potrebbe essere molto simile alla materia ordinaria che conosciamo, ma popolato da particelle e forze con cui non abbiamo ancora avuto nulla a che fare e che ci aprirebbero la porta su un nuovo mondo.

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