Il modello standard della cosmologia ci dice che solo il 4,9% dell'universo è costituito da materia ordinaria (di ciò che possiamo vedere), mentre il resto è il 26,8% di materia oscura e il 68,3% di oscurità. energia. Come suggerisce il nome di questi concetti, non possiamo vederli, quindi la loro esistenza deve derivare da modelli teorici, osservazioni della struttura su larga scala dell'Universo e gli ovvi effetti gravitazionali che appaiono sulla materia visibile.
Da quando se ne è parlato per la prima volta, non sono certo mancate le speculazioni sull'aspetto delle particelle di materia oscura. Non molto tempo fa, molti scienziati hanno iniziato a pensare che la materia oscura sia costituita da particelle massicce che interagiscono debolmente (WIMP, WIMP), che sono circa 100 volte la massa di un protone, ma interagiscono come neutrini. Tuttavia, tutti i tentativi di trovare WIMP utilizzando esperimenti con acceleratori di particelle non hanno portato a nulla. Pertanto, gli scienziati hanno iniziato a individuare possibili alternative alla composizione della materia oscura.
I modelli cosmologici moderni tendono a presumere che la massa della materia oscura si trovi entro 100 GeV (gigaelettronvolt), che corrisponde ai limiti di massa di molte altre particelle che interagiscono con l'aiuto di una forza nucleare debole. L'esistenza di una tale particella corrisponderebbe a un'estensione supersimmetrica del Modello Standard della fisica delle particelle. Inoltre, si ritiene che tali particelle dovrebbero essere nate in un universo primordiale caldo, denso, con la densità di massa della materia, che è rimasta invariata fino ad oggi.
Tuttavia, gli esperimenti in corso per identificare i WIMP non hanno trovato prove concrete dell'esistenza di tali particelle. Queste includevano ricerche di prodotti di annichilazione WIMP (raggi gamma, neutrini e raggi cosmici) in galassie e ammassi vicini, nonché esperimenti di rilevamento diretto di particelle utilizzando supercollider come l'LHC.
Per supersimmetria, i wimps si annichilano tra loro, creando una cascata di particelle e radiazioni, inclusi i raggi gamma di media energia
Non trovando nulla, molti scienziati hanno deciso di allontanarsi dal paradigma WIMP e cercare altrove la materia oscura. Uno di questi gruppi di cosmologi CERN e CP3-Origins in Danimarca ha recentemente pubblicato uno studio che mostra che la materia oscura può essere molto più pesante e più debole da interagire di quanto si pensasse in precedenza.
Uno dei membri del team di ricerca di CP-3 Origins, il dottor McCullen Sandora, ha parlato degli sforzi del suo team:
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“Non possiamo ancora escludere lo scenario WIMP, ma ogni anno sospettiamo sempre più di quanto non abbiamo visto nulla. Inoltre, la solita scala debole della fisica soffre di un problema di gerarchia. Non è chiaro perché tutte le particelle che conosciamo siano così leggere, specialmente se si guarda alla scala naturale di gravità, la scala di Planck, che è di circa 1019 GeV. Quindi, se la materia oscura fosse più vicina alla scala di Planck, non sarebbe interessata dal problema della gerarchia, e questo spiegherebbe anche perché non abbiamo visto firme associate ai WIMP.
Utilizzando un nuovo modello che chiamano Planck's Interacting Dark Matter (PIDM), gli scienziati stanno studiando un limite superiore alla massa di materia oscura. Mentre i WIMP collocano la massa di materia oscura all'estremità superiore della scala elettrodebole, il team di ricerca danese di Martias Garney, McCullen Sandora e Martin Slot ha proposto una particella con una massa che si trova su una scala naturale completamente diversa: la scala di Planck.
Sulla scala di Planck, un'unità di massa è equivalente a 2,17645 x 10-8 chilogrammi, circa un microgrammo o 1019 volte la massa di un protone. A questa massa, ogni PIDM è essenzialmente pesante quanto una particella può esserlo prima di diventare un buco nero in miniatura. Il gruppo ha anche suggerito che queste particelle PIDM interagiscono con la materia ordinaria solo gravitazionalmente, e che molte di esse si sono formate nell'Universo primordiale durante l'era del forte riscaldamento - un periodo che è iniziato alla fine dell'era inflazionistica, da qualche parte da 10-36 a 10- 33 o 10-32 secondi dopo il Big Bang.
Questa era è così chiamata perché durante l'inflazione si ritiene che le temperature spaziali siano diminuite di 100.000 volte. Al termine dell'inflazione, le temperature sono tornate al livello preinflazionistico (circa 1027 Kelvin). A questo punto, la maggior parte dell'energia potenziale del campo inflazionistico è decaduta in particelle del Modello Standard, che riempiva l'Universo, e tra queste - la materia oscura.
Naturalmente, la nuova teoria arriva con la sua parte di conseguenze per i cosmologi. Ad esempio, affinché questo modello funzionasse, la temperatura dell'epoca del riscaldamento doveva essere più alta di quanto si creda attualmente. Inoltre, un periodo di riscaldamento più caldo creerebbe anche più onde gravitazionali primarie che si rifletterebbero sul fondo cosmico a microonde (CMB).
"Questa temperatura elevata ci dice due cose interessanti sull'inflazione", dice Sandora. - Se la materia oscura è PIDM: in primo luogo, l'inflazione procedeva a energie molto elevate, che avrebbero prodotto non solo fluttuazioni nella temperatura dell'Universo primordiale, ma anche nello stesso spazio-tempo, sotto forma di onde gravitazionali. In secondo luogo, ci dice che l'energia dell'inflazione avrebbe dovuto decadere in materia estremamente rapidamente, perché se ci volesse molto tempo, l'Universo potrebbe raffreddarsi al punto dopo di che non potrebbe più produrre PIDM.
L'esistenza di queste onde gravitazionali potrebbe essere confermata o esclusa in studi futuri sul fondo cosmico a microonde. Questa è una notizia estremamente eccitante, poiché la recente scoperta delle onde gravitazionali dovrebbe portare a rinnovati sforzi per rilevare le onde primordiali che sono radicate nella creazione stessa dell'universo.
Come ha spiegato Sandora, tutto questo rappresenta un chiaro scenario win-win per gli scienziati, poiché il nuovo candidato per la materia oscura verrà scoperto o smentito nel prossimo futuro.
“Il nostro scenario fa una previsione coraggiosa: vedremo le onde gravitazionali nella prossima generazione di esperimenti con il fondo cosmico a microonde. Cioè, questo è un vantaggio per tutti: se li vediamo, è fantastico, e se non li vediamo, allora sapremo che la materia oscura non è un PIDM, da cui ne consegue che dobbiamo aspettarci parte della sua interazione con la materia ordinaria. Se tutto questo accade nei prossimi dieci anni, non possiamo che aspettare con impazienza.
Da quando Jacobus Kaptein suggerì per la prima volta l'esistenza della materia oscura nel 1922, gli scienziati hanno cercato prove dirette della sua esistenza. Uno dopo l'altro, i candidati tra le particelle - dal gravitino agli assioni - sono stati proposti, esclusi ed entrati nel regno della ricerca perpetua. Ebbene, se quest'ultimo candidato viene inequivocabilmente negato o confermato, quell'opzione non è già male.
Dopotutto, se verrà confermato, risolveremo uno dei più grandi misteri cosmologici di tutti i tempi. Facciamo un passo avanti per comprendere l'universo e come le sue forze misteriose interagiscono tra loro.
