Come è fatta la materia oscura? Gli assioni i favoriti del supercomputer

SCOPERTE – La materia oscura c’è, ma non si vede. Gli scienziati continuano a chiedersi quale sia la particella che costituisce questo misterioso tipo di materia, che rappresenta l’85 percento del cosmo contro appena il 15 percento della materia visibile. Una risposta arriva ora dal supercomputer del Centro di ricerche di Julich, in Germania, che ha identificato gli assioni come i candidati più promettenti per essere i costituenti della materia oscura.

La ricerca pubblicata su Nature si basa su una estensione del Modello Standard delle particelle in cui i fisici guidati dal professor Zoltàn Fodor, della University of Wuppertal in Germania, hanno collaborato con ricercatori della Eötvös University di Budapest. Andreas Ringwald, co-autore dello studio e ricercatore al Deutsches Elektronen-Synchrotron, Desy, di Amburgo ha spiegato che ad oggi siamo in grado di osservare solo gli effetti gravitazionali esercitati dalla materia oscura, ma non conosciamo la sua forma.

Un esempio di prova indiretta della sua esistenza arriva dall’osservazione delle galassie, che ruotano troppo velocemente intorno al proprio asse perché siano tenute insieme solo dalla forza gravitazionale esercitata dalla materia visibile. Solo il 15 percento dell’universo, secondo le misurazioni ad alta precisione ottenute dal satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea, ESA, è costituito da materia visibile. Il restante 85 percento, dunque, è materia oscura, un termine che indica come questa forma di materia non emetta luce nel visibile, ma nemmeno nelle altre lunghezze d’onda che conosciamo.

Proprio questa sua caratteristica lascia pensare che l’interazione con i fotoni da parte della materia oscura avvenga per interazione debole, una delle quattro forze fondamentali oltre a quella gravitazionale, elettromagnetica e la forza nucleare forte. Per decenni i fisici hanno cercato particelle di questo nuovo tipo di materia, quello che è chiaro è che queste particelle devono trovarsi al di là del Modello Standard delle particelle e ora si punta a individuare un range di energia in cui cercare i candidati più interessanti che possano essere i costituenti della materia oscura.

Le possibilità per i ricercatori sono due: la grande quantità di materia oscura potrebbe essere costituita da poche ma molto pesanti particelle, oppure da un gran numero di particelle leggere. Un candidato ideale, secondo il nuovo studio, sarebbe l’assione. Si tratta di particelle che sono predette dall’estensione della cromodinamica quantistica, QCD, una teoria quantistica che studia l’interazione forte, la forza che governa la formazione dei nuclei delle particelle. Utilizzando apparati sperimentali intelligenti, potrebbe essere possibile rivelare l’evidenza diretta di queste particelle, spiega il fisico teorico Ringwald:

“Comunque per trovare questo tipo di prove sarebbe estremamente utile conoscere il range di massa che stiamo cercando. In caso contrario, la ricerca potrebbe richiedere decenni, perché sarebbe necessario scansionare un range molto ampio di masse”.

Le ricerche che si sono avvalse del supercomputer Juqueen hanno puntato l’attenzione proprio sugli assioni, delle particelle estremamente leggere che hanno una massa pari a un miliardesimo di quella dell’elettrone. I complicati calcoli del supercomputer hanno permesso di individuare l’intervallo di temperatura in cui cercare gli assioni, ha spiegato Fodor, e il risultato è stato sorprendente.

Lo studio ha evidenziato che se queste particelle sono i candidati ideali per essere i costituenti della materia oscura, devono avere una massa tra i 50 e i 1500 microelettronvolt, cioè sono decine di miliardi di volte più leggeri degli elettroni. Questo implica che ogni centimetro cubo dell’universo contiene una media di dieci milioni di queste particelle ultraleggere. I ricercatori però hanno tenuto conto che la materia oscura non mostra una distribuzione uniforme nell’universo, ma si dispone in grumi e si ramifica proprio come una rete web, tanto che la sola regione della Via Lattea in cui ci troviamo potrebbe contenere mille miliardi di assioni per centimetro cubo.

I risultati ottenuti dal supercomputer Juqueen fissano la strada per la caccia agli assioni e forniscono un primo passo concreto verso la scoperta di queste particelle. Una scoperta che porterebbe all’identificazione, una volta per tutte, della materia oscura. Un primo passo è stato fatto, ma gli scienziati restano cauti: entro qualche anno potremmo confermare l’esistenza degli assioni oppure escluderla totalmente, riportando la caccia alla materia oscura al suo inizio.

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