Il modello standard di cosmologia ci dice che solo il 4,9% dell'Universo è composto da materia ordinaria (cioè ciò che possiamo vedere), mentre il resto è costituito dal 26,8% di materia oscura e dal 68,3% di energia oscura. Come suggeriscono i nomi, non possiamo vederli, quindi la loro esistenza ha dovuto essere dedotta sulla base di modelli teorici, osservazioni della struttura su larga scala dell'Universo e dei suoi apparenti effetti gravitazionali sulla materia visibile.
Da quando è stato proposto per la prima volta, non vi sono state carenze di suggerimenti sull'aspetto delle particelle di materia oscura. Non molto tempo fa, molti scienziati hanno proposto che Dark Matter sia costituito da particelle voluminose (WIMP) che interagiscono debolmente, che sono circa 100 volte la massa di un protone ma interagiscono come neutrini. Tuttavia, tutti i tentativi di trovare WIMP utilizzando esperimenti di collider sono risultati vuoti. Come tale, gli scienziati hanno esplorato recentemente l'idea che la materia oscura possa essere composta da qualcos'altro.
Gli attuali modelli cosmologici tendono a supporre che la massa della materia oscura sia di circa 100 Gev (elettrovolt di Giga), che corrisponde alla scala di massa di molte altre particelle che interagiscono attraverso una forza nucleare debole. L'esistenza di una tale particella sarebbe coerente con le estensioni supersimmetriche del modello standard della fisica delle particelle. Si ritiene inoltre che tali particelle sarebbero state prodotte nell'universo caldo, denso e primordiale, con una densità di massa di materia che è rimasta coerente fino ai giorni nostri.
Tuttavia, i continui sforzi sperimentali per rilevare i WIMP non sono riusciti a produrre alcuna prova concreta di queste particelle. Questi includono la ricerca dei prodotti di annientamento WIMP (es. Raggi gamma, neutrini e raggi cosmici) nelle galassie e nei cluster vicini, nonché esperimenti di rilevazione diretta usando supercollider, come il CERN Large Hadron Collider (LHC) in Svizzera.
Per questo motivo, molti team di ricercatori hanno iniziato a considerare di guardare oltre il paradigma WIMP per trovare Dark Matter. Uno di questi team è composto da un gruppo di cosmologi del CERN e CP3-Origins in Danimarca, che hanno recentemente pubblicato uno studio che indica che Dark Matter potrebbe essere molto più pesante e molto meno interagente di quanto si pensasse in precedenza.
Come ha dichiarato il Dr. McCullen Sandora, uno dei membri del team di ricerca di CP-3 Origins, tramite Space Magazine via e-mail:
"Non possiamo ancora escludere lo scenario WIMP, ma con il passare degli anni è sempre più il sospetto di non aver visto nulla. Inoltre, la solita fisica su scala debole soffre del problema della gerarchia. Questo è il motivo per cui tutte le particelle di cui siamo a conoscenza sono così leggere, soprattutto rispetto alla scala di gravità naturale, la scala di Planck, che è circa 1019 GeV. Quindi, se la materia oscura fosse più vicina alla scala di Planck, non sarebbe afflitta dal problema della gerarchia e questo spiegherebbe anche perché non abbiamo visto le firme associate ai WIMP ".
Utilizzando un nuovo modello che chiamano Planckian Interacting Dark Matter (PIDM), il team ha esplorato il limite superiore della massa di materia oscura. Mentre i WIMP collocano la massa di materia oscura al limite superiore della scala elettrodebole, il team di ricerca danese di Marthias Garny, McCullen Sandora e Martin S. Sloth ha proposto una particella con una massa vicina a un'altra scala naturale: la scala Planck.
Sulla scala Planck, una singola unità di massa equivale a 2.17645 × 10-8 kg - circa un microgrammo o 1019 volte maggiore della massa di un protone. A questa massa, ogni PIDM è essenzialmente pesante come una particella può essere prima che diventi un buco nero in miniatura. Il team teorizza inoltre che queste particelle PIDM interagiscono con la materia ordinaria solo attraverso la gravitazione e che un gran numero di esse si è formato nell'universo primordiale durante l'epoca del "riscaldamento" - un periodo che si è verificato alla fine dell'era inflazionistica, circa 10-36 t0 10-33 o 10-32 secondi dopo il Big Bang.
Questa epoca è così chiamata perché, durante l'inflazione, si ritiene che le temperature cosmiche siano scese di un fattore di circa 100.000. Quando l'inflazione è terminata, le temperature sono tornate alla loro temperatura pre-inflazionistica (circa 1027 K). A questo punto, la grande energia potenziale del campo di inflazione decadde in particelle del Modello Standard che riempivano l'Universo, che avrebbe incluso la Materia Oscura.
Naturalmente, questa nuova teoria ha la sua parte di implicazioni per i cosmologi. Ad esempio, per far funzionare questo modello, la temperatura dell'epoca di riscaldamento dovrebbe essere stata superiore a quella attualmente ipotizzata. Inoltre, un periodo di riscaldamento più caldo comporterebbe anche la creazione di onde gravitazionali più primordiali, che sarebbero visibili nel Cosmic Microwave Background (CMB).
"Avere una temperatura così alta ci dice due cose interessanti sull'inflazione", afferma Sandora. "Se la materia oscura si rivela essere un PIDM: il primo è che l'inflazione è avvenuta a un'energia molto elevata, il che a sua volta significa che è stato in grado di produrre non solo fluttuazioni della temperatura dell'universo primordiale, ma anche nello spazio-tempo stesso, sotto forma di onde gravitazionali. In secondo luogo, ci dice che l'energia dell'inflazione ha dovuto decadere nella materia molto rapidamente, perché se ci fosse voluto troppo tempo l'universo si sarebbe raffreddato al punto in cui non sarebbe stato in grado di produrre alcun PIDM ”.
L'esistenza di queste onde gravitazionali potrebbe essere confermata o esclusa da futuri studi che coinvolgono Cosmic Microwave Background (CMB). Questa è una notizia eccitante, poiché la recente scoperta delle onde gravitazionali dovrebbe portare a nuovi tentativi di rilevare le onde primordiali che risalgono alla creazione stessa dell'Universo.
Come ha spiegato Sandora, questo presenta uno scenario vantaggioso per gli scienziati, in quanto significa che quest'ultimo candidato per Dark Matter sarà in grado di dimostrare o smentire nel prossimo futuro.
“Il nostro scenario fa una previsione concreta: vedremo le onde gravitazionali nella prossima generazione di esperimenti cosmici di fondo a microonde. Pertanto, è uno scenario da non perdere: se li vediamo, è fantastico e se non li vediamo, sapremo che la materia oscura non è un PIDM, il che significa che sappiamo che deve avere alcune interazioni aggiuntive con materia ordinaria. E tutto ciò avverrà entro il prossimo decennio o giù di lì, il che ci dà molto da guardare al futuro. ”
Da quando Jacobus Kapteyn ha proposto per la prima volta l'esistenza di Dark Matter nel 1922, gli scienziati hanno cercato prove dirette della sua esistenza. E uno ad uno, le particelle candidate - che vanno dai gravitinos e MACHOS agli assioni - sono state proposte, pesate e trovate carenti. Se non altro, è bene sapere che l'esistenza di questa ultima particella candidata può essere dimostrata o esclusa nel prossimo futuro.
E se dimostrato di essere corretto, avremo risolto uno dei più grandi misteri cosmologici di tutti i tempi! Un passo avanti verso la vera comprensione dell'Universo e come interagiscono le sue forze misteriose. Teoria di tutto, eccoci qui (o no)!
