Viaggio nella mente di un fisico che cerca la materia oscura

La scorsa settimana avevamo spiegato come molte osservazioni che abbiamo del nostro Universo sono incomprensibili a meno di ipotizzare la presenza di una ingente quantità di materia invisibile ai nostri strumenti (leggi qui). Queste osservazioni includono la velocità di rotazione delle galassie, la misura della densità totale della materia dell’Universo, e altre che non abbiamo menzionato.

L’articolo di oggi vuole essere un piccolo “viaggio” nella testa di un fisico teorico che cerca di capire cosa sia questa materia che sembra proprio esserci ma che non vediamo. Un viaggio immaginario che racchiude e semplifica gli sforzi di team di ricerca e collaborazioni internazionali. Solitamente il percorso mentale per raggiungere un’ipotesi prosegue a steps: si parte dalle ipotesi più “semplici” che cercano di spiegare un fenomeno nuovo con la fisica che già conosciamo, e, se questo non è possibile, si introducono ipotesi sempre meno “conservative” e spesso più complesse, con modifiche alle teorie esistenti, nuove idee o nuovi concetti fisici.

Eccoci allora nella mente del nostro fisico teorico che sente la notizia: “l’85% della materia nel nostro universo è invisibile, ma interagisce con la forza gravitazionale”. La prima ipotesi, la più semplice da verificare senza dover introdurre quella che in gergo chiamiamo “nuova fisica” è che la materia oscura sia composta da particelle che già conosciamo. Allora perché non la vediamo? Per rispondere bisogna capire cosa vuole dire che “vediamo” la materia nell’Universo. Gli strumenti che abbiamo, chiamati generalmente telescopi, sono strumenti sensibili alla radiazione elettromagnetica, cioè alla luce. In altre parole, sono occhi molto sensibili e in grado di vedere anche lunghezze d’onda che l’occhio umano non può percepire: lunghezze d’onda ultraviolette (come i raggi x) e infrarosse (come le onde radio). La materia che vediamo con questi potenti telescopi è quindi tutta quella che interagisce con la forza elettromagnetica, la quale però non è l’unica forza in natura: la forza forte, la forza debole e la forza gravitazionale sono le altre tre interazioni che conosciamo. Sembra che la materia oscura interagisca solo con la forza gravitazionale e, forse, quella debole. Inoltre deve essere materia composta da particelle stabili, che non decadono in fretta. Se guardiamo alle particelle che conosciamo (lo faremo più in dettaglio nel prossimo articolo), le uniche particelle con queste caratteristiche sono i neutrini. Fantastico! Ecco la prima ipotesi: la materia oscura altro non è che tantissimi neutrini. Parlandone con altri fisici, questi ci fanno però notare che, data la loro massa molto piccola, quasi nulla, e la conseguente velocità prossima a quella della luce, i neutrini non possono spiegare alcuni dei dati sperimentali. Accidenti! Non possono essere neutrini, o almeno non solo neutrini. Per spiegare tutti questi dati serve qualcosa di nuovo, qualche nuova idea. Ma il nostro fisico teorico è uno prudente, uno a cui piace andare per gradi di astrazione. Molte volte negli ultimi secoli il nostro elenco di particelle fondamentali si è arricchito a mano a mano che venivano ipotizzate teoricamente e poi scoperte sperimentalmente. L’ultima particella ad unirsi è stato il famoso bosone di Higgs, di cui avremo modo di parlare, osservato sperimentalmente al CERN otto anni fa. Un’ipotesi ragionevole è quindi che esista un nuovo tipo di particella subatomica, ancora non osservata sperimentalmente, con una massa non troppo piccola, e immune ai campi elettromagnetici e alla forza forte.

Questa ipotesi è, allo stato attuale, la più popolare. Queste nuove ipotetiche particelle sono chiamate WIMPs, Weakly Interactive Massive Particles o Particelle massive debolmente interagenti. La grande sfida è capire quali potrebbero essere le loro proprietà così a costruire esperimenti in grado di osservarle o in grado di darci utili informazioni per raffinare le nostre teorie. Insomma, come sempre in fisica, l’interazione tra fisici teorici e sperimentali, tra nuove soluzioni matematiche e soluzioni ingegneristiche futuristiche, risulta fondamentale per la comprensione dei segreti della natura.

Ma torniamo nella mente del nostro fisico teorico. L’idea di un nuovo tipo di particella ha avuto il suo successo tra la comunità scientifica. I primi esperimenti per cercare di osservarla partono (come sono in effetti partiti negli ultimi anni), ma cominciano anche ad arrivare i primi risultati negativi. Certo, forse gli strumenti non sono abbastanza sensibili, e forse ci servono nuove idee sperimentali per riuscire a incrociare queste particelle così fuggevoli. Però, durante i nostri studi e lo sviluppo della nostra carriera, abbiamo capito una cosa. Abbiamo capito che a volte per risolvere un problema serve un cambio di prospettiva, thinking out of the box come direbbero in Inghilterra. Forse la soluzione non è una nuova particella. Torniamo sul problema: un qualcosa che non emette radiazione, quindi nero, che vediamo solo guardando gli effetti gravitazionali sulla materia ordinaria ci ricorda qualcosa. Qualcosa di cui abbiamo parlato anche in una miniserie qualche settimana fa: i buchi neri (leggi qui). La materia oscura potrebbe quindi in realtà essere un ammasso di buchi neri. Aspetta però, devono essere molto piccoli, o la materia sarebbe risucchiata al loro interno. Non possono quindi essere buchi neri formati dal collasso stellare, né il risultato di un crash stellare, i due meccanismi fondamentali di formazione di cui abbiamo parlato su Spazio Curvo (leggi qui). In quell’articolo però avevamo anche accennato ad un terzo meccanismo: i buchi neri primordiali. Essi sono ipotetici buchi neri che si sarebbero formati quando il nostro Universo era molto caldo, subito dopo la sua nascita. Possono essere molto piccoli, con masse dell’ordine dei centesimi di milligrammi, e potrebbero spiegare quelle anomalie gravitazionali che chiamamo materia oscura. O forse non sono buchi neri primordiali, ma stelle di neutroni che non possiamo vedere, o forse qualche altro agglomerato di materia sconosciuto. O forse basta modificare poco poco la teoria della relatività generale e potrebbe non essere necessario ipotizzare nuova materia. Forse, invece, è l’interazione con altre dimensioni o un effetto di gravità quantistica, o forse...

Stop, stop. Think out of the box, va bene, ma senza esagerare, penserete. Molte di queste ipotesi qui accennate sono state veramente proposte, supportate da calcoli matematici, simulazioni e previsioni. Alcune risultano più plausibili di altre, alcune vengono piano piano escluse da nuove osservazioni, altre, molte, rimangono compatibili con i dati che abbiamo ma nessuna è ancora stata confermata direttamente (vedi figura qui sopra). Questa pletora di ipotesi formulate dovrebbe dare un’idea di quanto sia importante riuscire a risolvere questo mistero. La sua soluzione, che consisterà nella conferma sperimentale di una di queste ipotesi, può dare informazioni importanti su altre domande fondamentali della fisica moderna, dalla completezza della nostra comprensione della struttura subatomica alla gravità quantistica e la teoria del tutto. Si intende, la soluzione potrebbe anche non essere unica.

Forse quell’85% di materia invisibile nell’Universo è composta per un po’ di WIMPs, per un po’ da buchi neri, per un po’ da stringhe e neutrini. Non ci resta che pensare nuovi esperimenti che possano restringere le possibilità e guidare il nostro fisico teorico e tutta la comunità scientifica verso la comprensione del mistero della materia oscura.