FORMATE DA UN QUARK E UN ANTIQUARK

Materia oscura, è l’ora delle Simps

Ipotizzate nel 2014, le “strongly interacting massive particles” sono entrate a far parte della lista di particelle candidate a spiegare la dark matter. Ne ha parlato in questi giorni a Cape Town, al 29esimo Texas Symposium on Relativistic Astrophysics, uno degli scienziati che le hanno proposte, Hitoshi Murayama

Le strutture fondamentali di un pione (a sinistra) e di un’ipotetica Simp (particella massiva fortemente interagente). I pioni sono formati da un quark up e un antiquark down, con un gluone (g) che li tiene insieme. La Simp qui proposta sarebbe invece formata da un quark e un antiquark tenuti insieme da un tipo di gluone (G) sconosciuto. Crediti: UC Berkeley

Una nuova famiglia di personaggi ha fatto di recente la sua comparsa nello zoo delle particelle, più o meno ipotetiche, congetturate dai fisici nel disperato tentativo di mettere fine al dilemma della materia oscura. Tecnicamente, sarebbero mesoni, ovvero unioni di un quark e un antiquark. Mediaticamente, hanno un nome che sembra partorito dalla fantasia di Matt Groening: Simps. Acronimo di strongly interacting massive particles. Strongly?! Ma come, se interagiscono fortemente, perché mai non si lasciano prendere? Semplice: interagiscono sì fortemente, ma soprattutto in famiglia. Parola di uno degli scienziati che le hanno concepite, Hitoshi Murayama, fisico teorico a UC Berkeley nonché direttore del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe giapponese.

Nota bene: Wikipedia, almeno per ora, dice una cosa un po’ diversa, ovvero che le Simps interagirebbero con forza anche con la materia ordinaria. E c’è chi sottolinea come lo strongly sia in realtà semplicemente da riferirsi all’interazione forte. Murayama però, o meglio il comunicato stampa distribuito dalla sua università in occasione dell’intervento dello scienziato al 29esimo Texas Symposium on Relativistic Astrophysics di Cape Town (Sudafrica) in corso questa settimana, su questo pare essere di parere leggermente diverso: le Simps interagiscono sì con forza fra loro, ma non con le altre particelle. Del resto, lo si poteva già leggere su Science tre anni fa: le Simps devono interagire con la materia ordinaria, riassumeva Adrian Cho, ma assai più debolmente delle Wimps – il che è tutto dire, visto che fino a oggi di interazioni con quest’ultime, gravità a parte, non c’è la benché minima traccia.

Ma torniamo all’ipotetica natura mesonica delle Simps. Nulla d’inedito: anche i pioni sono formati da un quark e un antiquark. La differenza principale, ben illustrata nello schema qui sopra, è che il gluone che terrebbe insieme la coppia quark/antiquark d’una Simp è di tipo… sconosciuto. Quale inutile spiegazione della materia oscura sarebbe dunque mai quella offerta da queste Simps, se ancor prima d’essere state individuate già introducono un’ulteriore entità sconosciuta? Scetticismo comprensibile. D’altronde, la caccia alla materia oscura continua a inanellare un insuccesso dietro l’altro, e i fisici sembrano non sapere ormai più dove sbattere la testa.

Proviamo a passare in rassegna alcune delle possibili spiegazioni messe in campo negli ultimi decenni, poi naufragate sugli scogli delle osservazioni astrofisiche o arenatesi nei test sperimentali. Prendiamo i Machos, per esempio: massive astrophysical compact halo objects. Una popolazione d’oggetti di materia ordinaria troppo opachi per essere visti. Nane brune, per esempio, o stelle che a fine ciclo si sono “spente”, o addirittura buchi neri, magari di quelli primordiali. Niente, non pervenuti. O meglio, largamente insufficienti a spiegare gli effetti gravitazionali osservati e attribuiti alla materia oscura.

Yonit Hochberg e Hitoshi Murayama. Crediti: Kavli Ipmu

Non che sia andata meglio alle Wimps. È da trent’anni che le inseguiamo, dallo spazio e nel sottosuolo, con ingegnosissimi esperimenti come quelli in funzione nei Laboratori nazionali del Gran Sasso. Esperimenti sempre più sofisticati, che periodicamente annunciano come un grande successo – e dal punto di vista tecnologico e sperimentale indubbiamente lo è – quello d’aver posto limiti sempre più stringenti, d’aver ulteriormente delimitato la porzione di Natura entro la quale devono trovarsi, queste inafferrabili weakly interacting massive particles. Senza però mai incastrarne una. Tanto che in molti cominciano a chiedersi: fino a che punto vogliamo spingerci? Quante tonnellate di xenon vogliamo ancora accumulare, prima di rassegnarci ad alzare bandiera bianca?

Nel frattempo c’è appunto chi, come Murayama e la collega Yonit Hochberg, ricercatrice in Israele alla Hebrew University, prova a esplorare altre strade: fra le quali, appunto, quella delle Simps. Più leggere delle Wimps, le Simps sarebbero anche più numerose, avendo dimensioni paragonabili a quelle di un nucleo atomico. Ed essendo più numerose, nonostante la loro debole interazione con la materia normale – quando la incontrano si sparpaglierebbero, invece di fondersi con essa o di decadere – lascerebbero comunque un’impronta. Impronta che Murayama pensa di vedere in quattro galassie in procinto di fondersi all’interno dell’ammasso Abell 3827, dove, in modo sorprendente, la materia oscura sembra ristagnare, rimanere indietro, rispetto alla materia visibile. Un fenomeno che potrebbe essere spiegato, propone Murayama, dalle interazioni fra la materia oscura delle galassie: interazioni che rallenterebbero la fusione della materia oscura ma non quella della materia normale, perlopiù costituita da stelle.

Le teorie convenzionali delle Wimps prevedono che le particelle di materia oscura interagiscano raramente. Murayama e Hochberg prevedono invece che le Simps della materia oscura, formate da un quark e un antiquark, entrerebbero in collisione e interagirebbero, producendo effetti notevoli quando la materia oscura nelle galassie entra in collisione. Crediti: Kavli Ipmu

«Per capire come mai la materia oscura arranchi rispetto alla materia luminosa occorre considerare che le particelle di materia oscura hanno dimensioni finite: dunque si scontrano l’una contro l’altra, e in tal modo, quando si spostano verso il resto del sistema, vengono respinte indietro», dice Murayama. «Questo spiegherebbe ciò che osserviamo. Ed è un fenomeno previsto dalla mia teoria della materia oscura come stato legato di un nuovo tipo di quark».

Murayama sottolinea poi come le Simps permettano di superare anche un altro problema piuttosto serio delle Wimps: la difficoltà a rendere conto della distribuzione della materia oscura nelle galassie più piccole. «È un enigma che si trascina da tempo: se osserviamo le galassie nane, molto piccole e con poche stelle, appaiono davvero dominate dalla materia oscura. E se elaboriamo attraverso simulazioni numeriche come la materia oscura si raggruppi al loro interno, i risultati conducono invariabilmente alla presenza di un’enorme concentrazione verso il centro. Una cuspide», spiega Murayama. «Ma le osservazioni sembrano suggerire che la concentrazione sia in realtà più piatta: un nucleo, anziché una cuspide. Questa contrapposizione irrisolta fra nucleo e cuspide è considerata uno fra i maggiori aspetti critici di una materia oscura che non interagisce se non per gravità. Se però la materia oscura avesse una dimensione finita, come nel caso delle Simps, ecco che le particelle potrebbero urtarsi e disperdersi, e ciò appiattirebbe il profilo della massa verso il centro. Un altro tassello a favore di questo tipo di teoria».