Una teoria rivoluzionaria per spiegare la materia oscura

MeteoWeb
La materia oscura

Gli astrofisici hanno compreso che la stragrande maggioranza dell’universo è costituita da materia oscura. Anche se si tratta di un qualcosa di non visibile, si è a conoscenza della sua esistenza e della sua utilità, dal momento che senza di essa non si potrebbero spiegare i legami del cosmo. Sono molti ancora i misteri che aleggiano attorno a questa porzione di materia poco compresa, anche se al Dipartimento di Fisica dell’Università di Oslo sembra che i ricercatori abbiano sviluppato una spiegazione plausibile per svelarne la sua composizione.  “Siamo alla ricerca di un nuovo membro dello zoo di particelle per spiegare la materia scura. Siamo convinti che si tratti di una particella molto esotica. E, forse, abbiamo trovato una spiegazione plausibile”, spiega Are Raklev, un professore associato di fisica delle particelle. Secondo il lavoro svolto dal team, la materia oscura sarebbe formata dal gravitino, un’ipotetica particella elementare, partner di supersimmetria del gravitone. Una particella vista in modo distorto per anni. Tra gli obiettivi degli scienziati c’è quello di scoprire se la natura è supersimmetrica, cioè se esiste una simmetria tra particelle e interazioni fondamentali. Per ogni tipo di elettrone e quark corrisponde un partner supersimmetrico, più pesante. Dal momento che le particelle supersimmetriche sarebbero state create negli istanti dopo il Big Bang, la dimostrazione della loro sopravvvivenza potrebbe fornire dati finali alla teoria. “Un gravitone è la particella che media la forza di gravità, proprio come il fotone media la forza elettromagnetica. Mentre i gravitoni non hanno massa, i gravitini possono essere molto pesanti. Dunque se la natura è supersimmetrica e i gravitoni esistono, allora anche i gravitini devono esistere e viceversa. Questa è matematica pura”, affermano i ricerctori. Tuttavia, non è facile dimostrare la relazione tra gravitoni e gravitini prima che non siano state unificate tutte le forze della natura.

Credit: Yngve Vogt

Quello di unificare le forze della natura in un’unica teoria è proprio uno degli obiettivi prefissi. A metà del secolo scorso i fisici scoprirono che l’elettricità e il magnetismo facevano parte della stessa forza della natura: l’elettromagnetismo. Esistono poi altre due interazioni, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare debole è associata alla radioattività. La forza nucleare forte, che è circa dieci miliardi di volte più intensa, lega insieme protoni e neutroni. Nel 1970 l’elettromagnetismo entrò nel quadro del modello standard assieme alle altre due forze, nucleare forte e nucleare debole. La quarta forza della natura è la gravità. Anche se è incredibilmente doloroso cadere dalle scale, la gravità è la più debole delle quattro forze della natura. Il problema fondamentale è che i fisici non sono ancora stati in grado di unificare la gravità con le altre tre forze della natura. Unificarle servirebbe a descrivere tutte le interazioni che si possano immaginare tra tutte le particelle possibili in natura. I fisici la chiamano la Teoria del Tutto. “Al fine di unificare la forza gravitazionale con le altre tre forze della natura, dobbiamo descrivere la gravità su scale subatomiche. Ciò significa che abbiamo bisogno di una teoria in cui sia incluso anche il gravitone“, sostengono i ricercatori.

Credit: Jorg Dietrich, U-M Department of Physics

Come si sarà facilmente compreso attraverso queste righe, lo studio della matera oscura è estremamente complicato, dal momento che essa non ha rapporti dal punto di vista elettromagnetico con le particelle terrestri. Tra le particelle candidate ci sono i neutrini, che costituiscono soltanto una parte impercettibilmente piccola della materia oscura. Anche se ogni secondo il nostro corpo è attraversato da miliardi di essi, la loro velocità è piuttosto limitata, pari a 400 Km/s. La teoria dei gravitini è stata vista sino ad oggi come un potenziale problema, dal momento che ci sono troppi gravitini in ballo. I fisici hanno quindi cercato di eliminare i gravitini dai loro modelli. Noi, invece, abbiamo trovato una nuova spiegazione che unifica la supersimmetria con la materia scura costituita di gravitini. Se la materia scura non è stabile, ma esiste da lungo tempo, c’è un modo di spiegare perchè la materia scura consista di gravitini.

Il Big Bang. Credit: NASA

Una delle differenze sostanziali tra il vecchio ed il nuovo modello, è che i gravitini non sono più visti come eterni, ma con un tempo limitato (seppur la loro vita sia più lunga dell’età dell’universo). Tuttavia la differenza tra una vita infinita e una durata di circa 15 miliardi di anni esiste. Con la vecchia teoria i gravitini devono necessariamente essere convertiti in altre particelle. È proprio questo effetto di trasformazione che può essere misurato per  spiegare così il modello. “Noi crediamo che quasi tutta la materia scura sia composta da gravitini e la spiegazione di ciò si basa su una formulazione matematica molto complessa. Stiamo sviluppando modelli speciali che consentano di prevedere in che modo queste particelle possano essere osservate negli esperimenti“. I ricercatori stanno ora cercando di verificare sperimentalmente la teoria, e questo spiega perché queste nuove particelle non siano ancora state osservate negli esperimenti del CERN di Ginevra, in Svizzera. “D’altra parte, dovrebbero teoricamente essere visibili da una sonda spaziale”, spiega lo scienziato. Il modo più semplice per rivelare la presenza dei gravitini potrebbe essere quello di studiare cosa succede quando due particelle si scontrano nell’Universo e vengono trasformate in altre particelle sottoforma di fotoni o antimateria. Anche se le collisioni avvengono molto raramente, c’è ancora tanta materia oscura nell’universo da generare  un numero significativo di fotoni. Il grosso problema è che i gravitini non si scontrano, o almeno, capita così raramente da rendere la visione molto improbabile. Tuttavia c’è tanta speranza in questa ricerca. Fortunatamente per noi, i gravitini non sono al cento per cento stabili. Queste ipotetiche particelle vengono convertite in qualcosa d’altro. “Oggi siamo in grado di prevedere come può apparire il segnale una volta che i gravitini siano stati trasformati in altre particelle. Questo processo di conversione causerà l’emissione di un’onda elettromagnetica, cioè raggi gamma”. Attualmente il telescopio Fermi della NASA sta misurando i raggi gamma, i cui dati sono all’analisi di un buon numero di gruppi di ricerca. Finora ne abbiamo osservato solo il rumore. Ma uno dei gruppi di ricerca afferma di aver osservato un piccolo avanzo sospetto di raggi gamma dal centro della nostra galassia. Le loro osservazioni potrebbero andare bene con i nostri modelli“, conclude Raklev.