Qualche modello per la materia oscura

La galassia di Andromeda dista da noi due milioni di anni luce. È la più vicina alla Via Lattea.
Con i suoi 250'000 anni luce di diametro, è la galassia più grande del Gruppo Locale.

La galassia di Andromeda. Fonte

Il problema è che non dovrebbe esistere. Ruota su se stessa troppo velocemente. Una velocità di rotazione così alta non è spiegabile usando le leggi note della fisica applicate alla materia visibile di cui è composta la galassia. Secondo la teoria, le stelle più lontane dal centro dovrebbero ruotare più lentamente di quanto effettivamente fanno, perché la gravità generata dalla materia visibile non è sufficiente per mantenere una simile velocità. Vale per Andromeda, e per tutte le galassie con caratteristiche simili.
Per risolvere il problema è stata ipotizzata un particolare tipo di materia, invisibile. E visto che non si conosce la natura di questa materia, è stata chiamata, con molta fantasia, “materia oscura”.
La materia oscura costituirebbe circa il 25% della materia presente nell’universo. Permetterebbe anche di spiegare, oltre al moto rotazionale delle galassie, anche la distribuzione di materia visibile che si osserva quando due galassie collidono, oppure gli effetti di lente gravitazione sulla luce proveniente da galassie lontane.
 

Ci sono diverse ipotesi sulla natura di questo materia. Le più semplici sono teorie che prevedono che la materia oscura sia costituita da un solo tipo di particella, ma non è escluso che ne possano invece esistere di diversi tipi. Dopotutto la materia ordinaria esiste in varie forme, dunque non ci sarebbe nulla di strano. Sono state ipotizzate anche altre interazioni fondamentali, che agiscono intensamente sulla materia oscura, e poco o nulla sulla materia ordinaria.   
Non sappiamo cos’è la materia oscura, ma sappiamo cosa non è: visto che non interagisce con la radiazione elettromagnetica, deve essere elettricamente neutra. Deve inoltre muoversi lentamente: in caso contrario non osserveremmo le strutture galattiche a noi note. Da qui un ulteriore osservazione. Se la materia oscura si muove lentamente,  le particelle devono essere dotate di massa, altrimenti si muoverebbero a velocità prossime (o pari) a quella della luce.
Inoltre probabilmente deve essere stabile, cioè non decade, perchè non esiste un meccanismo noto (e sensato) che produca questa materia in quantità così elevate come quelle necessarie, e in maniera continuativa nel tempo. Deve essersi formata durante il big bang.
 

Come dicevo, la teoria più semplice (nelle sue varie versioni) propone l’esistenza di un solo tipo di particella, detta WIMP 

(weakly interactive massive particle), o particella massiva debolmente interagente. 

Le (ipotetiche) interazioni di queste particelle con la materia ordinaria sarebbero rarissime. Per questo sono stati costruiti dei rilevatori situati a grande profondità, per schermare il rumore di fondo dovuto ai raggi cosmici, e portati a temperature bassissime. Ma fino ad oggi non c’è traccia delle WIMP. Sono particelle che spiegano buona parte delle cose che si osservano, ma non tutte: per esempio attorno alla Via Lattea dovrebbero orbitare molte più galassie satellite rispetto a quelle che vengono osservate. Ma presto potremmo avere novità: grazie alla camera del Dark Energy Survey, ne sono state recentemente scoperte molte. Quindi potrebbe essere solo questione di tempo prima che ne venga scoperto un numero sufficiente compatibile con la teoria delle WIMP.
 

Materia oscura complessa
Le teorie più complicate prevedono l’esistenza di diversi tipi di particelle che compongono la materia oscura. Queste particelle potrebbero interagire tra di loro attraverso lo scambio di altre particelle. Così come le particelle ordinarie dotate di carica elettrica interagiscono scambiandosi fotoni, allora potrebbe esistere una “carica oscura”, e le particelle potrebbero interagire scambiandosi “fotoni oscuri”. Niente a che vedere con i fotoni ordinari, è semplicemente un nomignolo dato a una ipotetica particella scambiata tra altrettanto ipotetiche particelle. Le analogie con la materia ordinaria finiscono qui. Se forzassimo la teoria dicendo che il mondo oscuro si comporta in maniera speculare a quello ordinario, (con leggi e forze analoghe) potremmo supporre che le particelle, interagendo tra di loro, formino delle strutture simili alle galassie. Tuttavia, per spiegare la struttura delle galassie osservate, è necessaria una distribuzione della materia oscura approssimativamente sferica, e non piatta come le galassie. Quindi delle differenze devono esserci.

Fonte

Due tipi di carica
La distribuzione piatta della materia ordinaria che osserviamo nelle galassie è dovuta all’interazione elettromagnetica tra gli atomi.
Se immaginiamo che esistano due tipi di particelle con carica opposte (l’analogo, per esempio, dell’elettrone e del positrone della materia ordinaria), e supponiamo che queste due particelle scontrandosi si annichiliscano, emettendo fotoni oscuri, allora possiamo stimare l’intensità dell’interazione dovuta a quest’ultimi. Visto che la materia oscura deve assumere una forma sferica attorno alla galassia, allora l’interazione tra fotoni oscuri deve essere molto debole, circa l’uno per cento dell’intensità della interazione elettromagnetica.

Galassie oscure
Ma come? Non era impossibile che si formassero? Calma.
Ci sono altri modelli, ancora più complicati, che ammettono una ampia varietà di particelle oscure.
Un modello molto interessante, proposto da JiJi Fan, Lisa Randall e altri ricercatori dell’università di Harvard, ipotizza che la maggior parte della materia oscura sia formata da WIMP, mentre in parte minore sia costituita da particelle più pesanti, che potrebbero interagire tra di loro attraverso un analogo delle reazioni chimiche del mondo ordinario. Dalle osservazioni della forma delle galassie risulta, presa in considerazione una galassia qualsiasi,  che la massa totale di queste particelle pesanti di materia oscura dovrebbe essere circa pari alla massa della materia visibile. Ebbene, secondo questo modello una galassia sarebbe composta dalle WIMP che circondano sfericamente due dischi di materia: uno di materia visibile e l’altro di materia oscura, entrambi con lo stesso orientamento spaziale.
Siamo nella pura speculazione?  Si. Ma questo non toglie dignità alla teoria.
 

Ricerche sperimentali
Come detto esistono sofisticati rilevatori che tentano di osservare un’interazione tra la materia ordinaria e la materia oscura. Questa non è l’unica strada possibile. La materia oscura potrebbe generarsi anche negli acceleratori di particelle, durante le collisioni ad altissima energia. Questa eventualità necessita però di un ipotesi: che la materia oscura interagisca con quella ordinaria non solo attraverso la forza di gravità, ma anche con qualche altra interazione oggi sconosciuta. In caso contrario, per quanto ne sappiamo oggi, non sarebbe possibile generare la materia oscura negli acceleratori.
L’ LHC, l’acceleratore del CERN, potrebbe in futuro rivelare queste particelle. Se durante la collisione tra due protoni si osservasse la mancanza di una parte dell’energia presente prima della collisione, allora sarebbe lecito supporre che l’energia mancante si sia trasformata in un qualche tipo di particella sconosciuta. Ad oggi non sono stati osservati eventi del genere.
Esistono vari esperimenti per cercare la materia oscura, per esempio al Fermilab utilizzano neutrini, nella speranza che siano questi a interagire con la materia oscura. Un altro approccio è l’osservazione della collisione tra galassie, nella speranza di rilevare qualche interazione con le ipotetiche enormi masse di materia oscura che le circondano.
 

Mistero
Il fatto che i modelli basati su WIMP non stiano portando a risultati sta spingendo i ricercatori verso le ipotesi di materia oscura complessa. Potrebbe essere una forzatura tentare di mantenere in vita una teoria, modificandola, nonostante gli scarsi risultati? Forse no, perché la materia oscura permette di spiegare molti fenomeni dell’universo, e non c’è ragione di pensare che sia composta da sole WIMP. Forse vedremo qualcosa nei prossimi anni, dagli innumerevoli esperimenti sparsi per il mondo.
 

Io intanto vado a bermi un caffè.
 

Fonti:
Le Scienze n. 509/565
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.79.023519
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1475-7516/2010/05/021/meta
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.211302
https://www.darkenergysurvey.org/ 

Consiglio inoltre la lettura dei sempre ottimi articoli dell’ INAF:
http://www.media.inaf.it/tag/wimp/     

Matera oscura