DA UNO STUDIO SU NATURE

Una nuova particella per la materia oscura

Un gruppo di ricercatori dell’Università di Southampton ha proposto l’esistenza di una particella fondamentale per spiegare la natura dell'enigmatica materia oscura. Si tratta di un nuovo approccio sperimentale nello spazio che tenta di far luce su un settore sconosciuto dove ci si aspetta che tali particelle potrebbero esistere. Il commento di Matteo Viel (INAF)

Alcuni ricercatori dell’Università di Southampton hanno proposto per la materia oscura l’esistenza di una nuova candidata, cioè una particella fondamentale che potrebbe spiegare come mai non sia stato possibile rivelare questa componente elusiva che rappresenta circa l’85% della massa dell’intero Universo.

La materia oscura esercita un effetto gravitazionale sulle stelle e le galassie, attraverso un fenomeno previsto dalla relatività generale, noto come lente gravitazionale che causa la curvatura dei raggi luminosi degli oggetti distanti, e lascia le sue tracce impresse nella radiazione cosmica di fondo, il residuo fossile del Big Bang.

Nonostante siano stati effettuati vari tentativi sperimentali, nessuno finora ha rivelato direttamente la materia oscura. I fisici delle particelle ci forniscono degli indizi sulla sua natura e, secondo il pensiero più comune, si ritiene che sia caratterizzata da “particelle pesanti” la cui massa è confrontabile con quella degli atomi più pesanti. Invece, le particelle più leggere vengono considerate meno appetibili per alcune ragioni astrofisiche, sebbene esistano delle eccezioni. Tuttavia, partendo da argomentazioni generali della fisica delle particelle, questo studio fa luce su un settore sconosciuto dove ci si aspetta che tali candidati potrebbero esistere.

La figura illustra la diffusione di una particella di materia oscura χ e il rinculo della particella test. L2 indica la posizione (non in scala) del satellite con il rivelatore. Credit: J. Bateman et al. 2015/Nature

La particella in questione avrebbe una massa di 100eV/c2, il cui valore è pari allo 0,02 percento di quella dell’elettrone. Mentre essa non interagisce con la luce, così come viene richiesto per le particelle che costituiscono la materia oscura, essa interagisce fortemente, e sorprendentemente, con la materia ordinaria. In realtà, questa particella potrebbe anche non penetrare l’atmosfera terrestre, in netto contrasto con le altre candidate, il che esclude un eventuale meccanismo di rivelazione con l’utilizzo di strumenti a Terra. Dunque, i ricercatori stanno pensando di spostarsi nello spazio attraverso il Macroscopic quantum resonators (MAQRO) consortium, dove essi sono già coinvolti. L’esperimento consiste nell’osservare il rinculo di una particella test sospesa nello spazio ed esposta direttamente al flusso incidente di particelle di materia oscura che verranno a sua volta diffuse. In questo modo, gli strumenti sensibili alla posizione della particella test potranno fornire agli scienziati preziosi indizi sulla natura di questa nuova candidata χ, se esiste davvero (vedi figura).

James Bateman, del Dipartimento di Fisica e Astronomia e co-autore dello studio, spiega: «Questo lavoro mette insieme alcune aree della ricerca molto diverse: la fisica delle particelle, l’astronomia in banda X e l’ottica quantistica. La nostra particella sembra un pò ‘matta’ anche se non esistano al momento esperimenti od osservazioni che potrebbero escludere la sua esistenza. La materia oscura rappresenta uno dei problemi più importanti della fisica moderna e speriamo che la nostra ipotesi ispirerà altri ricercatori per sviluppare una teoria che possa essere verifica sperimentalmente».

Alexander Merle, del Max Planck Institute a Monaco, in Germania, e co-autore dello studio, aggiunge: «Per ora, gli esperimenti sulla materia oscura non puntano in una direzione ben definita e, dato che il Large Hadron Collider non ha trovato alcun segnale significativo che possa essere riconducibile ad una nuova fisica, potrebbe essere giunto il momento per cui il nostro pensiero consideri altre particelle candidate. Man mano che i fisici si muovono verso questa strada, la nostra idea diventa sempre più competitiva».

«Da questo punto di vista, il nostro lavoro rappresenta una pietra miliare del nostro dipartimento: per la prima volta esiste una pubblicazione che coinvolge autori appartenenti a tre gruppi diversi del campo della fisica e dell’astronomia e mostra quanto prezioso può essere attraversare i confini e guardare oltre il proprio campo di ricerca», conclude Bateman.

«Il lavoro è molto interessante, soprattutto per il fatto che l’approccio sperimentale per riuscire ad osservare la materia oscura è nuovo: collisioni elastiche di una particella nota mesoscopica con la materia oscura, misurata attraverso tecniche optomeccaniche», commenta Matteo Viel, ricercatore INAF presso l’Osservatorio Astronomico di Trieste. «Di sicuro c’è una forte motivazione scientifica dietro questo tipo di esperimento e cioè quella di riuscire finalmente a capire la natura della materia oscura che sappiamo essere presente nell’Universo in cui viviamo, anche in virtù dei recenti dati di Planck. Inoltre, altri dati sempre molto recenti dal satellite Fermi iniziano ad escludere regioni dove dovrebbe risiedere il candidato più studiato e promettente: il neutralino. Pertanto, ogni sforzo non-standard, come quello compiuto dai ricercatori del presente lavoro, è sicuramente interessante. I dubbi riguardano il fatto che il modello in questione richiede una sezione d’urto non piccola per la particella di materia oscura con conseguenze non ancora propriamente investigate in termini di formazione delle strutture. Inoltre, per riuscire a descrivere in modo preciso il segnale che si aspettano bisognerà conoscere (simulandola magari con un super computer) la distribuzione della particella all’interno del Sistema solare. Concludendo, mi sembra un esperimento molto promettente, ma con ancora molto lavoro da fare, anche in termini di modelli, per riuscire a produrre risultati scientifici solidi».


Nature (Scientific Reports): J. Bateman et al. – On the Existence of Low-Mass Dark Matter and its Direct Detection