L'emergere della materia oscura
A volte sembra che sia la stessa materia oscura a vendicarsi degli scienziati per la disattenzione con cui fu accolta la sua scoperta più di 80 anni fa. Poi, nel 1933, l'astronomo americano di origine svizzera Fritz Zwicky, osservando seicento galassie nell'ammasso di Coma situato a 300 milioni di anni luce dalla Via Lattea, scoprì che la massa di questo ammasso, determinata in base alla velocità di movimento delle galassie, è 50 volte maggiore della massa calcolato stimando la luminosità delle stelle.
Non avendo la minima idea di quale sia questa differenza di massa, le diede la definizione ora ufficiale: materia oscura.
Per molto tempo, pochissime persone sono state interessate alla materia oscura. Gli astronomi credevano che il problema della massa nascosta sarebbe stato risolto da solo quando fosse stato possibile raccogliere informazioni più complete sul gas cosmico e sulle stelle molto deboli. La situazione iniziò a cambiare solo dopo che gli astronomi americani Vera Rubin e Kent Ford pubblicarono i risultati delle misurazioni delle velocità di stelle e nuvole di gas nella grande galassia a spirale M31 - la nebulosa di Andromeda nel 1970. Contro tutte le aspettative, si è scoperto che lontano dal suo centro, queste velocità sono approssimativamente costanti, il che contraddiceva la meccanica newtoniana e ha ricevuto una spiegazione solo supponendo che la galassia sia circondata da una grande quantità di massa invisibile.
Quando ti imbatti in un fenomeno di cui non si sa nulla, allora gli si possono attribuire un gran numero di spiegazioni, e non resta che risolverle una per una, rifiutando quelle inutili e inventandone di nuove lungo la strada. Inoltre, non è un dato di fatto che tra tutte queste spiegazioni sarà corretta. Il comportamento improprio delle stelle periferiche potrebbe essere spiegato muovendosi in due direzioni: correggendo leggermente le leggi di Newton o riconoscendo che c'è materia nel mondo diversa dalla nostra, che non vediamo, perché le particelle di cui è composta non partecipano all'interazione elettromagnetica, quindi non emettono luce e non la assorbono, interagendo con il nostro mondo solo per gravità.
Newton aveva torto?
La prima direzione, cioè la correzione contro-newtoniana, si è sviluppata piuttosto lentamente. È vero, nel 1983 il teorico israeliano Mordechai Milgrom creò la cosiddetta meccanica newtoniana modificata, in cui piccole accelerazioni reagiscono a una forza agente in modo leggermente diverso dal modo in cui ci è stato insegnato a scuola. Questa teoria trovò molti seguaci e fu presto sviluppata a tal punto che la necessità di materia oscura scomparve. È interessante notare che Vera Rubin stessa, una pioniera di fama mondiale nella ricerca sulla materia oscura, si è sempre orientata verso la modifica delle leggi di Newton - sembra che semplicemente non le piacesse l'idea di una sostanza che è abbondante, ma che nessuno ha mai visto.
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L'inafferrabile buono a nulla
Ci sono molti candidati per particelle di materia oscura, e per la maggior parte di loro c'è un nome generalizzante e quasi privo di significato "WIMPs" - questa è l'abbreviazione inglese WIMPs, derivata dal termine "particelle massicce che interagiscono debolmente", o "particelle massicce che interagiscono debolmente". In altre parole, si tratta di particelle che partecipano solo alle interazioni gravitazionali e deboli: il suo effetto si estende a dimensioni molto più piccole delle dimensioni del nucleo atomico. È sulla ricerca di questi WIMP come spiegazione più suggestiva che oggi sono diretti i principali sforzi degli scienziati.
I rivelatori WIMP, specialmente quelli che li catturano per lo xeno, sono simili in linea di principio alle trappole per neutrini. Un tempo si credeva addirittura che il neutrino fosse l'inafferrabile WIMP. Ma la massa di questa particella si è rivelata troppo piccola: è noto che l'84,5% di tutta la materia nell'Universo è materia oscura e, secondo le stime, non ci saranno così tanti neutrini su questa massa.
Il principio è semplice. Prendiamo, diciamo, lo xeno come il più pesante dei gas nobili, raffreddato a temperature di azoto, e preferibilmente più basso, protetto da eventuali "ospiti" non necessari come i raggi cosmici, molte fotocellule sono installate attorno alla nave allo xeno e questo intero sistema, situato in profondità nel sottosuolo, procede ad aspettare. Perché devi aspettare molto tempo - secondo i calcoli, la lunghezza di una trappola con xeno, che sarà in grado di catturare un WIMP che la attraversa con una probabilità del 50%, dovrebbe essere di 200 anni luce!
Qui, per cattura si intende il volo del debole vicino all'atomo di xeno e il volo a una distanza tale alla quale l'interazione debole sta già funzionando, o un colpo diretto nel nucleo. Nel primo caso l'elettrone esterno dell'atomo di xeno verrà espulso dalla sua orbita, che verrà registrata dal cambio di carica, nel secondo salterà su un altro livello e tornerà immediatamente “a casa” con la successiva emissione di un fotone, che viene poi registrato dai fotomoltiplicatori.
Sensazione o errore?
Tuttavia, "semplice" non è proprio la parola giusta quando viene applicato ai rilevatori WIMP. Non è molto facile e molto costoso. Uno di questi rilevatori con il semplice nome Xenon è stato installato nel laboratorio sotterraneo italiano del Gran Sasso. Ad oggi, è stato modificato due volte e ora porta il nome Xenon1T. È completamente ripulito dalle impurità che possono portare a segnali simili ai segnali della materia oscura. Ad esempio, da uno degli inquinanti tipici: l'isotopo radioattivo krypton-85. Il suo contenuto nello xeno commerciale è solo di poche parti per milione, ma quando si cercano WIMP è una sporcizia totale. Pertanto, a partire dalla seconda modifica dell'installazione - Xenon100 - i fisici purificano ulteriormente lo xeno, riducendo la concentrazione dell'inquinante a centinaia di parti per trilione.
Rivelatore XENON100
Foto: Wikimedia Commons
E accendendo il rilevatore, loro, ovviamente, hanno detto che il caro "quasi". Durante la prima sessione di osservazione di 100 giorni, gli scienziati hanno registrato fino a tre impulsi, molto simili ai segnali dei WIMP volanti. Non credevano a se stessi, anche se probabilmente volevano davvero crederci, ma era il 2011, già segnato da una forte puntura: i fisici scoprirono che i neutrini che arrivavano loro dal CERN nel corso di un altro esperimento volano a una velocità superiore a quella della luce. Gli scienziati, dopo aver verificato, a quanto pare, tutto ciò che può solo essere verificato, si sono rivolti alla comunità scientifica con la richiesta di vedere cosa stava andando storto. I colleghi hanno guardato e non sono riusciti a trovare errori, dicendo, tuttavia, che questo non poteva essere, perché non potrebbe mai essere. E così è successo: la foratura, come si è scoperto, era solo un connettore con un contatto scadente, che era difficile da notare.
E ora, sotto il peso di un tale fiasco, gli scienziati si trovavano nuovamente di fronte a una scelta. Se si tratta di WIMPS, questo è un premio Nobel garantito e immediato. E se no? La seconda volta non volevano essere disonorati e iniziarono a controllare e ricontrollare. Di conseguenza, si è scoperto che due dei tre segnali potrebbero essere segnali parassiti provenienti da atomi di inquinanti di fondo, che non sono stati completamente eliminati. E il segnale rimanente non è entrato affatto in nessuna statistica, quindi la cosa migliore sarebbe dimenticarsene e non ricordare più.
Il rilevatore ha visto "niente"
Un altro "quasi" risuonava quando i rappresentanti della collaborazione che lavorava sul rilevatore di materia oscura più sensibile LUX (Large Underground Xenon), che si trova in una miniera d'oro abbandonata nel South Dakota, hanno annunciato di aver cambiato la calibrazione del rilevatore. Dopo di che, avevano una speranza, al limite della certezza, che il tanto atteso "quasi" si sarebbe finalmente avverato. Il rivelatore LUX, che sin dal primo giorno della sua esistenza era molto più sensibile di quello italiano, è due volte più sensibile alle WIMP gravi e 20 volte più sensibile ai polmoni.
Rivelatore LUX
Foto: grande rilevatore sotterraneo allo xeno
Durante la prima sessione di osservazione di 300 giorni, iniziata nell'estate del 2012 e terminata nell'aprile 2013, LUX non ha visto nulla, anche dove poteva vedere qualcosa almeno per gentilezza. Come ha detto Daniel McKinsey, membro della collaborazione LUX alla Yale University, "Non abbiamo visto niente, ma abbiamo visto questo 'niente' meglio di chiunque altro prima di noi".
Come risultato di questo "nulla", diverse versioni promettenti furono completamente scartate contemporaneamente, specialmente in relazione ai WIMP "leggeri". Il che non si è aggiunto alla collaborazione di simpatizzanti tra coloro le cui versioni sono state rifiutate da LUX. I colleghi li hanno attaccati con un sacco di rimproveri per la loro incapacità di impostare correttamente l'esperimento: la reazione è abbastanza normale e prevista.
I fisici non sanno assolutamente nulla della massa dei WIMP, ammesso che esistano. Ora la ricerca viene eseguita nell'intervallo di massa da 1 a 100 GeV (la massa del protone è di circa 1 GeV). Molti scienziati sognano WIMP con una massa di cento protoni, perché particelle con una tale massa sono previste dalla teoria supersimmetrica, che in realtà non è ancora diventata una teoria, ma è solo un modello molto bello, ma speculativo e che molti prevedono il destino del successore del Modello Standard. Questo sarebbe un vero regalo per i sostenitori della supersimmetria, soprattutto ora, quando l'esperimento al Large Hadron Collider non ha ancora registrato nessuna delle particelle previste.
La seconda sessione di osservazione sul rivelatore LUX, che terminerà il prossimo anno, dovrebbe, grazie alle calibrazioni già citate all'inizio, aumentare seriamente la sensibilità del rivelatore e aiutare a catturare wimps di varie masse (precedentemente LUX era sintonizzato alla massima sensibilità di circa 34 GeV), rilevandone i segnali dove in precedenza erano stati ignorati. In altre parole, il prossimo anno ci attende un altro e molto decisivo “quasi”.
Se questo "quasi" non accade, allora va anche bene: il prossimo rivelatore LZ, che è molto più sensibile, è già pronto per sostituire LUX. Dovrebbe essere lanciato diversi anni dopo. Allo stesso tempo, la collaborazione DARWIN sta preparando un "mostro" con una capacità di 25 tonnellate di xeno, davanti al quale LUX, con i suoi 370 kg di gas, sembra "cieco" e inutile a nulla. Quindi sembra che i wimpam - se esistono - semplicemente non avranno un posto dove nascondersi, e prima o poi si faranno sentire. I fisici danno loro non più di dieci anni per questo.
Wimp o wisp?
Se i wimps continuano a persistere nella loro elusività, allora c'è ancora un assione, che dovrebbe anche essere inseguito. Gli assioni sono particelle ipotetiche introdotte nel 1977 dai fisici americani Roberto Peccei e Helen Quinn per liberare la cromodinamica quantistica da alcune rotture di simmetria. Questi sono, infatti, anche Wimps, appartenenti alla sottocategoria dei ciuffi più leggeri (Weakly Interacting Slim Particles), ma hanno una particolarità: in un campo magnetico forte devono indurre fotoni, grazie ai quali possono essere facilmente rilevati.
Oggi poche persone sono interessate agli assioni, e nemmeno perché le persone non ci credono troppo, e non perché la loro registrazione sia associata a particolari difficoltà, è solo che la loro ricerca è associata a spese troppo elevate. Affinché l'assione inizi a convertire i fotoni virtuali in quelli reali, sono necessari campi magnetici molto forti: è interessante notare che esistono già magneti con i campi richiesti. Il mercato offre 18 magneti Tesla, ci sono 32 magneti Tesla sperimentali, ma si tratta di macchine molto costose e non facili da ottenere. Inoltre, coloro da cui dipende il finanziamento di tale ricerca non credono realmente nella realtà dell'esistenza degli assioni. Forse un giorno la necessità di cercare assioni renderà superabili queste difficoltà finanziarie, ea quel punto i magneti potrebbero diventare più economici.
Nonostante la ricerca apparentemente infinita e infruttuosa dei WIMP, le cose stanno effettivamente andando bene. Per cominciare, devi elaborare la versione più semplice e ovvia: wimps. Quando vengono trovati e la loro massa è nota, i fisici dovranno pensare a cosa sono questi WIMP - sono davvero dei neutralini pesanti, un insieme quantistico di superpartner del fotone, del bosone Z e del bosone di Higgs, come la maggior parte dei fisici ora presume, o qualcosa del genere- qualcos'altro. Se i WIMP non si trovano nell'intera gamma di masse possibili, sarà necessario considerare opzioni alternative, ad esempio cercare i WIMP in altri modi. Ad esempio, se questo è il famoso fermione di Majorana, che è esso stesso un'antiparticella, allora, incontrandosi, tali fermioni dovrebbero annichilirsi, trasformandosi in radiazione e lasciando un ricordo su se stessi sotto forma di un eccesso di fotoni.
Se non c'è modo di rilevare i WIMP, cosa che in realtà sembra improbabile, sarà possibile dare un'occhiata più da vicino alle opzioni con la meccanica newtoniana modificata. Sarà inoltre possibile verificare (non è ancora chiaro come) una versione del tutto fantastica associata alle sette dimensioni aggiuntive previste dalla teoria delle stringhe, che ci sono nascoste, perché raggomitolate in palline delle dimensioni di Planck. Secondo alcuni modelli di tale multidimensionalità, la forza gravitazionale penetra in ciascuna di queste dimensioni e quindi è così debole nel nostro mondo tridimensionale. Tuttavia, questo solleva la possibilità che la materia oscura sia nascosta in queste dimensioni raggomitolate e si manifesti solo grazie alla gravità onnipresente. Ci sono anche spiegazioni esotiche per la materia oscura associata a difetti topologici dei campi quantistici,sorto durante il Big Bang, c'è anche un'ipotesi che spiega la materia oscura dalla frattalità dello spazio-tempo, e non c'è dubbio che, se necessario, i fisici teorici escogiteranno qualcos'altro non meno originale. La cosa più importante è aggiungere l'unica spiegazione corretta a questo elenco.
