I fisici a caccia della mano invisibile che modella il nostro universo e le galassie al suo interno hanno rivolto il loro sguardo al lato oscuro. In particolare, una squadra sta cercando dietro ogni roccia cosmica i cosiddetti fotoni oscuri, che potrebbero trasmettere una forza della natura precedentemente sconosciuta.
Questi fotoni dovrebbero mediare l'interazione tra tutta la materia normale e le cose invisibili chiamate materia oscura.
Ma gli scienziati hanno capito da tempo che la natura è allungata, tirata, fumata e lacerata da quattro forze conosciute, quindi come potrebbe un'altra forza nasconderci da così tanto tempo? Quelle quattro forze conosciute costituiscono la pietra angolare della nostra esistenza quotidiana: la forza nucleare tirannica ma a corto raggio, che lega insieme i nuclei atomici; la forza nucleare debole oscura e silenziosa, che controlla il decadimento radioattivo e parla alle particelle subatomiche chiamate neutrini; la forza elettromagnetica audace e luminosa, che domina le nostre vite; e la sottile forza gravitazionale, di gran lunga la più debole del quartetto.
Usando queste quattro forze fondamentali, i fisici sono in grado di dipingere un ritratto dei nostri mondi subatomici e macroscopici. Non c'è interazione che non coinvolga uno di quei quattro personaggi. Eppure, i misteri ancora abbondano per quanto riguarda le interazioni nel nostro universo, specialmente sulle scale più grandi. Quando rimpiccioliamo la scala delle galassie e oltre, si verifica qualcosa di sospetto e diamo a quel pesce il nome di materia oscura.
La materia oscura è semplice e disadorno, o nasconde una miriade di forze precedentemente sconosciute nelle sue grinfie? Ora, un team internazionale di fisici, descrivendo il loro lavoro online sulla rivista di prestampa arXiv, ha utilizzato un dump di dati del Large Hadron Collider - il più grande smasher atomico del mondo - per cercare una tale forza. Per ora, la loro ricerca è diventata vuota - il che è buono (una specie di): significa che le nostre leggi della fisica conosciute sono ancora valide. Ma non possiamo ancora spiegare la materia oscura.
Perso nel buio
La materia oscura è una forma ipotetica di materia che si dice rappresenti circa l'80% della massa totale dell'universo. È un po 'un grosso problema. Non sappiamo davvero cosa sia responsabile di tutte queste cose extra invisibili, ma sappiamo che esiste e il nostro più grande indizio è la gravità. Esaminando i moti delle stelle all'interno di galassie e galassie all'interno di ammassi, insieme all'evoluzione delle più grandi strutture del cosmo, gli astronomi sono arrivati quasi universalmente alla conclusione che c'è di più di quello che incontra l'occhio galattico.
Un nome migliore per la materia oscura potrebbe essere materia invisibile. Mentre possiamo dedurlo dalla sua influenza gravitazionale (perché nulla sfugge all'occhio onniveggente di Albert Einstein), la materia oscura semplicemente non interagisce con la luce. Lo sappiamo perché se la materia oscura interagisse con la luce (o almeno, se interagisse con la luce come fa la materia familiare), ormai avremmo visto la sostanza misteriosa. Ma per quanto ne sappiamo, la materia oscura - qualunque cosa sia - non assorbe la luce, non riflette la luce, rifrange la luce, disperde la luce o emette luce. Per la materia oscura, la luce è semplicemente persona non grata; potrebbe anche non esistere.
E quindi c'è una solida possibilità che legioni di particelle di materia oscura stiano attraversando il tuo corpo proprio ora. La massa combinata di quel flusso infinito può modellare i destini delle galassie attraverso l'influenza gravitazionale, ma passa attraverso la materia normale senza nemmeno un ciao. Scortese, lo so, ma questa è materia oscura per te.
Portare la luce
Dato che non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura, siamo liberi di inventare tutti i tipi di scenari, sia banali che fantasiosi. L'immagine più semplice della materia oscura dice che è grande ed essenziale. Sì, costituisce la stragrande maggioranza della massa dell'universo, ma consiste solo in una singola particella altamente prolifica che non fa altro che avere massa. Ciò significa che il materiale può farsi conoscere attraverso la gravità ma altrimenti non interagisce mai attraverso nessuna delle altre forze. Non vedremo mai, mai, uno squarcio di materia oscura che fa qualcos'altro.
Gli scenari fantasiosi sono più divertenti.
Quando i teorici si annoiano, elaborano idee su cosa potrebbe essere la materia oscura e, soprattutto, su come possiamo rilevarla. Il livello successivo sulla scala di interessanti teorie sulla materia oscura afferma che la sostanza può occasionalmente parlare con la materia normale attraverso la debole forza nucleare. Quell'idea motiva oggi gli esperimenti e i rivelatori di materia oscura in tutto il mondo.
Tuttavia, quello scenario presuppone che ci siano ancora solo quattro forze della natura. Se la materia oscura è un tipo di particella mai vista prima, allora è perfettamente ragionevole suggerire (perché non abbiamo idea se abbiamo ragione o no) che viene confezionato con una forza della natura precedentemente sconosciuta - o forse una coppia, chissà ? Questa potenziale forza potrebbe lasciare che la materia oscura parli solo con la materia oscura, oppure potrebbe intrecciare materia oscura ed energia oscura (che anche noi non capiamo), o potrebbe aprire un nuovo canale di comunicazione tra i settori normali e oscuri del nostro universo .
Aumento del fotone oscuro
Un portale di comunicazione proposto tra il regno della luce e quello del buio è qualcosa chiamato un fotone oscuro, analogo al fotone familiare (leggero) della forza elettromagnetica. Non possiamo vedere, assaggiare o annusare direttamente i fotoni oscuri, ma potrebbero mescolarsi con il nostro mondo. In questo scenario, la materia oscura emette fotoni scuri, che sono particelle relativamente massicce. Ciò significa che hanno effetti solo su un breve raggio, al contrario delle loro controparti leggere. Ma a volte, un fotone oscuro potrebbe interagire con un fotone normale, cambiando energia e traiettoria.
Questo sarebbe un evento molto raro; altrimenti, avremmo notato qualcosa di strano accadendo molto tempo fa con l'elettromagnetismo.
Quindi, anche con i fotoni oscuri, non saremmo in grado di vedere direttamente la materia oscura, ma potremmo annusare l'esistenza dei fotoni oscuri esaminando i gob di interazioni elettromagnetiche. In una minuscola frazione di quei gob, un fotone oscuro potrebbe "rubare" energia da un fotone normale interagendo con esso.
Ma come ho detto, abbiamo bisogno di interazioni. Accade solo che abbiamo costruito gigantesche macchine della scienza per produrre esattamente questo, quindi siamo fortunati.
Nel documento arXiv, i fisici hanno riportato i loro risultati dopo aver esaminato i dati di tre anni del Super Proton Synchrotron, il secondo acceleratore di particelle al CERN. Per questo esperimento, gli scienziati hanno fracassato i protoni contro l'equivalente subatomico di un muro di mattoni e hanno esaminato tutti i pezzi in seguito.
Nel relitto, i ricercatori hanno trovato elettroni, molti dei quali. Nel corso di tre anni, gli scienziati hanno contato oltre 20 miliardi di elettroni con energie superiori a 100 GeV. Poiché gli elettroni sono particelle cariche e amano interagire tra loro, gli elettroni ad alta energia in questo esperimento hanno anche generato molti fotoni. Se esistono fotoni oscuri, allora a volte dovrebbero interagire e rubare energia da uno dei fotoni normali, un fenomeno che si manifesterebbe nell'esperimento come mancanza di luce.
Questa ricerca di fotoni oscuri è risultata vuota - tutti i fotoni normali erano presenti e spiegati - ma ciò non esclude del tutto l'esistenza di fotoni oscuri. Invece, pone limiti alle proprietà ammissibili di queste particelle. Se esistessero, sarebbero a bassa energia (meno di un GeV, in base ai risultati dell'esperimento) e interagirebbero solo raramente con fotoni regolari.
La ricerca di fotoni oscuri continua, tuttavia, con future esecuzioni dell'esperimento che andranno ulteriormente a dimora su questa proposta creatura del mondo subatomico.
Per saperne di più: "Ricerca della materia oscura negli eventi energetici mancanti con NA64"
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di "Chiedi a un astronauta" e "Space Radio, "e autore di"Il tuo posto nell'universo."
