Stanno cercando la materia oscura sulla Terra, nel sottosuolo e nello spazio. Le sue particelle misteriose sono invisibili agli strumenti scientifici e non si manifestano da nessuna parte. Tuttavia, è stata raccolta una solida "base di prove" a favore della loro esistenza. Gli scienziati hanno la possibilità di scoprire mai la materia oscura.
Un componente chiave dell'universo
Le particelle di materia oscura sono nate poco dopo il Big Bang, quando l'universo era un plasma rovente. Quando si sono raffreddati, hanno formato grumi che alla fine hanno fornito l'emergere di stelle e galassie. Se il plasma contenesse solo particelle ordinarie che compongono gli atomi, la radiazione le respingerebbe l'una dall'altra, impedendo loro di formare strutture. Gli oggetti legati gravitazionalmente sono apparsi abbastanza rapidamente, il che significa che qualcosa li stava aiutando. Qualche sostanza massiccia li ha trattenuti. Ora non interagisce in alcun modo con la materia ordinaria, non irradia, quindi non la osserviamo con alcun metodo.
È così che gli scienziati ricostruiscono l'evoluzione dell'Universo, che sarebbe incompleta senza la partecipazione della materia oscura. Questa conclusione fu raggiunta negli anni '30 dall'astronomo svizzero Fritz Zwicky. Studiando ammassi di galassie, si è chiesto perché non si stavano disperdendo. Dopo tutto, la massa delle galassie visibili non è sufficiente per contenere l'ammasso. Quindi, deve esserci una massa nascosta. Successivamente, questa ipotesi ha trovato numerose conferme sulle anomalie nei tassi di rotazione delle galassie: le parti dei dischi lontane dal centro difficilmente rallentano, come sarebbe se fossero costituite solo da stelle.
La lente gravitazionale consente di catturare indirettamente la presenza di massa nascosta. Questo effetto è creato da due enormi galassie poste una dietro l'altra. La luce di una galassia lontana è piegata dal campo gravitazionale di una galassia vicina e, come in una lente, appare la sua immagine. Ciò fornisce alcune informazioni sulla materia oscura nelle galassie che formano un enorme alone invisibile intorno a loro. Utilizzando vari modelli, gli scienziati calcolano la distribuzione della densità della materia oscura nell'alone e, su questa base, fanno ipotesi sulla struttura.
A sinistra - alone di materia oscura nella galassia NGC 4555.
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Composizione della materia oscura
I fisici sono inclini a credere che la materia oscura sia costituita da particelle a noi sconosciute.
“I metodi di osservazione astrofisici non dicono nulla sulle loro proprietà. È possibile che non interagiscano in alcun modo, tranne che per il metodo gravitazionale. Forse né gli esperimenti diretti sulla Terra, né le osservazioni nello spazio porteranno a nulla. Questo deve sempre essere tenuto presente , afferma a RIA Novosti Dmitry Gorbunov, membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa, ricercatore capo dell'Istituto per la ricerca nucleare dell'Accademia delle scienze russa.
I candidati per il ruolo delle particelle oscure includono assioni ultraleggeri, particelle a interazione debole (WIMP) e neutrini sterili, che aiutano a spiegare la massa e l'oscillazione dei neutrini solari.
“Il neutrino sterile più leggero potrebbe essere una particella di materia oscura. Non è stabile, ma vive a lungo. Nella galassia, tali particelle dovrebbero decadere in neutrini e un fotone. Girano lentamente (10-3 volte la velocità della luce), quindi è previsto un picco nella gamma dei raggi X nello spettro dei fotoni , afferma lo scienziato.
Secondo lui, un buon spettrometro dovrebbe essere mandato in orbita per provare a registrare tali eventi.
Due anni fa, Gorbunov e colleghi hanno modellato una delle ipotesi su una componente instabile della materia oscura per spiegare la discrepanza nei risultati dell'esperimento Planck Space Telescope, che misurava la CMB. Forse questo era un errore, o forse un'indicazione di qualche proprietà della materia oscura. Gli scienziati hanno suggerito che la sostanza oscura ha una composizione eterogenea e parte di essa non è sopravvissuta fino ad oggi.
Alla ricerca di particelle oscure
Come catturare le particelle di materia oscura è una delle domande chiave della fisica. Molti teorici e sperimentatori stanno cercando di rispondere. Il modo di osservazione dipende dal modello, in cui sono poste tutte le proprietà dell'ipotetica particella. Se assumiamo che la materia oscura fosse in equilibrio nel plasma dell'Universo primordiale - e c'erano anche particelle ordinarie - significa che in qualche modo interagisce con esse. Di tutti i tipi noti di interazioni, ad eccezione di quella gravitazionale, il più adatto è quello debole, che si verifica durante il decadimento beta di un nucleo atomico.
"In questo presupposto, dopo che il plasma primario si è raffreddato, rimane la quantità richiesta di materia oscura", spiega Dmitry Gorbunov.
Sulla base di ciò, le particelle scure possono essere distrutte con la formazione di un elettrone e un positrone. Stanno cercando le tracce di questi annientamenti, ma questa è comunque una prova circostanziale. Inoltre, i risultati sono piuttosto sfocati, le particelle deflettono, volano intorno alla Galassia, si annichilano, perdono energia e ciò che raggiunge la Terra è difficile da distinguere sullo sfondo dei raggi cosmici.
Cercano di osservare le particelle scure direttamente nei rivelatori sotterranei che registrano i neutrini. Sotto terra, lo sfondo delle particelle atmosferiche diminuisce, la sostanza del rilevatore si raffredda e devi attendere che una particella di materia oscura la colpisca. Questi eventi sono di per sé rari, poiché la particella, se interagisce, è debole. L'impatto provoca l'eccitazione dell'atomo e un'esplosione di energia, che viene registrata dal rilevatore.
Allo stesso tempo, è impossibile aumentare all'infinito il volume della sostanza del rivelatore per aumentare la probabilità del passaggio di particelle scure senza perdita di sensibilità. Inoltre, i neutrini interferiscono con il segnale. Per tagliarlo, potrebbe essere necessario costruire un rilevatore completamente nuovo per andare al di sotto di questo segnale.
“È necessario utilizzare il rilevamento della direzione di impatto della particella. Questo sopprimerà in modo significativo lo sfondo, perché i neutrini volano nella direzione dal Sole e la materia oscura colpirà in altre direzioni”, specifica lo scienziato.
La terza direzione è la creazione di una particella di materia oscura come risultato della collisione di particelle ordinarie all'LHC e ad altri acceleratori. All'osservatore sembrerà, ad esempio, un fotone che vola via di lato. Secondo la legge di conservazione della quantità di moto, una particella dovrebbe volare anche nell'altra direzione, ma non ce n'è. Quindi è invisibile.
Finora, nessuno dei modi per catturare le particelle di materia oscura ha avuto successo. Non è nemmeno chiaro quale di loro sia il più promettente.
Composizione dell'Universo / Illustrazione di RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
