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Gio
17 Agosto 2017
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I PRIMI BAGLIORI DELLA MATERIA OSCURA

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di Luca Mazzucato

In una notte stellata fuoricittà, al riparo dall'inquinamento luminoso, si possono ammirare i miliardi di stelle che formano la nostra Via Lattea e, con un po' di fortuna, persino la vicina galassia di Andromeda. Ma le stelle e tutto quello che si osserva alzando lo sguardo al cielo é in realtà solo un quinto della materia totale: secondo gli astrofisici, i restanti quattro quinti sono composti di dark matter, materia oscura che non emette luce. Un'entità finora mai osservata. I dati astronomici raccolti negli ultimi mesi e discussi al congresso Planck2009 a Padova potrebbero finalmente aprire le porte su questo mondo parallelo, che se confermato rivoluzionerà la nostra conoscenza dell'universo. Correva l'anno 1975 quando Vera Rubin, analizzando le curve di rotazione delle galassie, trasalì dalla sorpresa: le stelle alla periferia delle galassie ruotavano più in fretta di quanto la legge di gravità prevedesse. Per spiegare l'anomalia, Vera propose che la materia che emette luce fosse in realtà solo un quinto della materia totale presente nell'universo: il resto è sotto forma di materia oscura. Da allora il paradigma della materia oscura si è dimostrato estremamente efficace nello spiegare la formazione di tutte le grandi strutture presenti nell'universo, dalla Via Lattea fino ai colossali ammassi di migliaia galassie distanti miliardi di anni luce.

La maggior parte della materia non si troverebbe dunque sotto forma di pianeti, galassie o plasma interstellare, in quanto tutti questi oggetti emettono fotoni, sotto forma di onde radio, luce o raggi gamma, e dunque si possono vedere. La materia oscura, al contrario, interagisce solo tramite la forza di gravità che la sua massa produce. Da almeno vent'anni i fisici delle particelle hanno sguinzagliato la loro fantasia per spiegare l'origine e le proprietà della materia oscura. Le soluzioni non mancano e sono molto suggestive: il leit motiv è l'esistenza di nuove particelle, più pesanti di quelle finora osservate e dunque difficili da produrre in laboratorio. La cosa forse più interessante è che l'esistenza della materia oscura è predetta in diverse forme da tutte le teorie che cercano di spiegare l'origine del bosone di Higgs e la fisica delle alte energie e rappresenta un punto di contatto tra l'astrofisica e la fisica delle particelle. Vediamo di cosa si tratta.

Alcuni scienziati hanno proposto l'esistenza di una quinta dimensione spaziale, arrotolata su un cerchio di piccole dimensioni. Ognuna delle particelle attualmente osservate sarebbe la più leggera di una torre infinita di particelle sempre più pesanti, chiamati modi di Kaluza-Klein, e in particolare il fratello più pesante del fotone costituirebbe la materia oscura. Un'altra teoria, chiamata “technicolor”, prevede l'esistenza di una nuova forza, simile alla forza nucleare (detta “colore”) che incolla tra di loro i quark all'interno dei protoni. I nuovi “techni-protoni,” molto più pesanti dei loro cugini atomici, fornirebbero la materia mancante dell'universo. Infine, la teoria al momento più accreditata (e motivata dalla teoria delle stringhe) è la supersimmetria, che prevede l'esistenza di una nuova dimensione “quantistica” e discreta dello spazio tempo ed associa ad ogni particella esistente una nuova particella detta “superpartner,” con la stessa carica ma una massa più pesante e diverse proprietà statistiche. Ad esempio, il fotone avrebbe come partner il fotino, una particella molto pesante che rappresenta uno dei candidati per la materia oscura.

In questi tre scenari, la materia oscura peserebbe come il bosone di Higgs o poco più e con un po' di fortuna potrebbe essere prodotta e studiata al Large Hadron Collider, il gigantesco acceleratore di particelle che entrerà in funzione in autunno a Ginevra. Potremmo dunque essere ad un passo dall'unificazione di due discipline finora molto diverse come l'astrofisica (distanze astronomiche) e la fisica della particelle (distanze microscopiche). Ma la grossa sorpresa è arrivata negli ultimi mesi da un fronte inaspettato: i raggi cosmici, che potrebbero fornire il primo segnale di comunicazione con il settore oscuro. Di queste recenti osservazioni si è discusso animatamente a Padova, nell'ambito di Planck 2009, il congresso mondiale di fisica delle particelle.

Ronaldo Bellazzini, dell'INFN di Pisa, ha presentato le nuove osservazioni di raggi cosmici effettuate dal satellite FERMI, che hanno evidenziato un numero di positroni ed elettroni di altissima energia nettamente superiore a quello previsto dagli attuali modelli astrofisici. Questi dati, uniti alle osservazioni dell'esperimento italiano PAMELA sul flusso di positroni nei raggi cosmici, rappresentano la prima chiara anomalia di questo tipo.

Per spiegare questa anomalia ci sono essenzialmente due diversi scenari. Secondo Pasquale Serpico, del CERN di Ginevra, non occorre scomodare nuova fisica. Al contrario, secondo gli astrofisici basterebbe la presenza di una pulsar nelle vicinanze del nostro sistema solare. Le pulsar sono oggetti stellari estremamente affascinanti: minuscole stelle di neutroni, che irradiano energia sotto forma di raggi gamma. Questi fotoni, a loro volta, creerebbero coppie di elettroni e positroni dell'energia osservata da FERMI, ed ecco spiegato l'eccesso di raggi cosmici. Al momento però gli astronomi non hanno ancora identificato l'ipotetica pulsar sorgente. Per i fisici delle particelle l'origine dell'anomalia sarebbe invece la materia oscura in persona, che grazie ad una serie di reazioni a catena, produrrebbe fotoni ad altissima energia, capaci di generare il famigerato eccesso nel flusso di positroni. Secondo il fisico americano Neil Weiner, dell'Università di New York, la materia oscura apparterrebbe ad un nuovo “settore oscuro” dell'universo.

Quest'ultimo scenario è molto intrigante: suggerisce la presenza di una complessa struttura all'interno del settore oscuro, con “particelle oscure” e “forze oscure”, del tutto simili a quelle presenti nel mondo visibile. Weiner rovescia i ruoli e arriva a ipotizzare l'esistenza di “Mr. Dark Matter”, un alieno che vive nel settore oscuro e studia l'astrofisica oscura. Mr. Dark Matter è molto sorpreso dalle sue osservazioni, perché ha scoperto che la materia oscura, di cui è fatto, rappresenta solo i quattro quinti della materia presente nella sua Via Lattea Oscura e arriva ad ipotizzare l'esistenza di una fantomatica “materia visibile” che non interagisce con le forze oscure ma solo con la gravità. Chissà che un giorno, quando grazie a LHC avremo carpito i segreti del settore oscuro, non ci si possa mettere in contatto con Mr. Dark Matter: occupiamo entrambi la stessa porzione di spazio, ma ancora non riusciamo a comunicare...

Il dibattito tra astrofisici e particellari a Planck 2009 è stato molto acceso, anche se alla fine del congresso tutti hanno concordato sul fatto che i dati attuali sono ancora insufficienti per favorire l'una o l'altra ipotesi. Verso metà agosto è prevista l'uscita del nuovo round di dati di FERMI, che con ogni probabilità chiarirà il mistero. E forse ci fornirà la prima cartolina firmata “Mr. Dark Matter.”

 

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