Circa l'80% di tutta la materia nel cosmo è di una forma completamente sconosciuta alla fisica attuale. La chiamiamo materia oscura, perché come meglio possiamo dire è ... oscura. Esperimenti in tutto il mondo stanno tentando di catturare una particella di materia oscura vagante nella speranza di capirla, ma finora si sono rivelati vuoti.
Recentemente, un team di teorici ha proposto un nuovo modo di cacciare la materia oscura usando strane "particelle" chiamate magnoni, un nome che non ho solo inventato. Queste piccole increspature potrebbero attirare anche una fugace e leggera particella di materia oscura fuori dal nascondiglio, dicono i teorici.
Il puzzle della materia oscura
Conosciamo ogni sorta di cose sulla materia oscura, con la notevole eccezione di ciò che è.
Anche se non possiamo rilevarlo direttamente, vediamo le prove della materia oscura non appena apriamo i nostri telescopi all'universo più ampio. La prima rivelazione, risalente agli anni '30 del secolo scorso, arrivò attraverso osservazioni di ammassi di galassie, alcune delle più grandi strutture dell'universo. Le galassie che le abitavano si stavano semplicemente muovendo troppo rapidamente per essere tenute insieme come un ammasso. Questo perché la massa collettiva delle galassie fornisce la colla gravitazionale che tiene insieme il gruppo: maggiore è la massa, più forte è quella colla. Una colla super forte può tenere insieme anche le galassie più veloci. Più veloce e il cluster si sarebbe semplicemente fatto a pezzi.
Ma lì c'erano i cluster, esistenti, con le galassie che ronzavano al loro interno molto più velocemente di quanto avrebbero dovuto dare la massa del cluster. Qualcosa aveva abbastanza presa gravitazionale per tenere uniti i grappoli, ma quel qualcosa non emetteva né interagiva con la luce.
Questo mistero è rimasto irrisolto nel corso dei decenni e negli anni '70 l'astronoma Vera Rubin ha alzato la posta in grande stile attraverso l'osservazione di stelle all'interno di galassie. Ancora una volta, le cose si stavano muovendo troppo in fretta: data la loro massa osservata, le galassie nel nostro universo avrebbero dovuto separarsi miliardi di anni fa. Qualcosa li teneva insieme. Qualcosa di invisibile.
La storia si ripete in tutto il cosmo, sia nel tempo che nello spazio. Dalla prima luce del Big Bang alle più grandi strutture dell'universo, qualcosa di funky è là fuori.
Cercando nel buio
Quindi la materia oscura è molto presente: non possiamo trovare altre ipotesi valide per spiegare lo tsunami di dati a sostegno della sua esistenza. Ma cos'è? La nostra ipotesi migliore è che la materia oscura sia una sorta di nuova particella esotica, finora sconosciuta alla fisica. In questa immagine, la materia oscura inonda ogni galassia. In effetti, la parte visibile di una galassia, vista attraverso stelle e nuvole di gas e polvere, è solo un minuscolo faro posto su una costa molto più grande e più scura. Ogni galassia si trova all'interno di un grande "alone" composto da miliardi su miliardi di particelle di materia oscura.
Queste particelle di materia oscura stanno attraversando la tua stanza proprio ora. Ti stanno trasmettendo in streaming. Una pioggia infinita di minuscole particelle di materia oscura invisibili. Ma semplicemente non li noti. Non interagiscono con la luce o con particelle cariche. Sei fatto di particelle cariche e sei molto amico della luce; sei invisibile alla materia oscura e la materia oscura è invisibile a te. L'unico modo in cui "vediamo" la materia oscura è attraverso la forza gravitazionale; la gravità nota ogni forma di materia ed energia nell'universo, oscura o no, quindi alle scale più grandi, osserviamo l'influenza della massa combinata di tutte queste innumerevoli particelle. Ma qui nella tua stanza? Niente.
A meno che, speriamo, ci sia un altro modo in cui la materia oscura interagisce con noi materia normale. È possibile che la particella di materia oscura, qualunque diavolo sia, senta anche la debole forza nucleare - che è responsabile del decadimento radioattivo - aprendo una nuova finestra in questo regno nascosto. Immagina di costruire un rilevatore gigante, solo una grande massa di qualunque elemento tu abbia a portata di mano. Le particelle di materia oscura scorrono attraverso di essa, quasi tutte completamente innocue. Ma a volte, con una rarità che dipende dal particolare modello di materia oscura, la particella che passa interagisce con uno dei nuclei atomici degli elementi nel rivelatore attraverso la debole forza nucleare, facendola fuori posto e rendendo l'intera massa del rivelatore faretra.
Inserisci il magnon
Questa configurazione sperimentale funziona solo se la particella di materia oscura è relativamente pesante, dandogli abbastanza grinta per far esplodere un nucleo in una di quelle rare interazioni. Ma finora, nessuno dei rilevatori di materia oscura in tutto il mondo ha visto alcuna traccia di un'interazione, anche dopo anni e anni di ricerche. Mentre gli esperimenti hanno preso piede, le proprietà ammissibili della materia oscura sono state lentamente escluse. Questa non è necessariamente una cosa negativa; semplicemente non sappiamo di cosa sia fatta la materia oscura, quindi più sappiamo di cosa non è, più chiara è l'immagine di ciò che potrebbe essere.
Ma la mancanza di risultati può essere un po 'preoccupante. I candidati più pesanti per la materia oscura vengono esclusi e, se la particella misteriosa è troppo leggera, non verrà mai vista nei rilevatori mentre sono installati in questo momento. Cioè, a meno che non ci sia un altro modo in cui la materia oscura può parlare con la materia normale.
In un recente articolo pubblicato sulla rivista online prestampa arXiv, i fisici descrivono dettagliatamente una configurazione sperimentale proposta che potrebbe individuare una particella di materia oscura nell'atto di cambiare la rotazione degli elettroni (se, in effetti, la materia oscura può farlo). In questa configurazione, la materia oscura può essere potenzialmente rilevata, anche se la particella sospetta è molto leggera. Può farlo creando i cosiddetti magnoni nel materiale.
Fai finta di avere un pezzo di materiale a una temperatura di zero assoluto. Tutti gli spin - come piccoli magneti a barra piccola - di tutti gli elettroni in quella materia punteranno nella stessa direzione. Mentre aumenti lentamente la temperatura, alcuni degli elettroni inizieranno a svegliarsi, oscillare e puntare casualmente i loro giri nella direzione opposta. Più in alto si aumenta la temperatura, più elettroni si accumulano capovolti - e ciascuno di questi ribaltamenti riduce di un po 'la forza magnetica. Ognuno di questi giri capovolti provoca anche una piccola increspatura nell'energia del materiale, e quelle oscillazioni possono essere viste come una quasiparticella, non una vera particella, ma qualcosa che puoi descrivere con la matematica in quel modo. Queste quasiparticelle sono conosciute come "magnoni", probabilmente perché sono come piccoli magneti carini.
Quindi, se inizi con un materiale veramente freddo e abbastanza particelle di materia oscura colpiscono il materiale e girano alcuni giri, osserverai i magnoni. A causa della sensibilità dell'esperimento e della natura delle interazioni, questa configurazione può rilevare una leggera particella di materia oscura.
Cioè, se esiste.
Paul M. Sutter è un astrofisico a La Ohio State University, ospite di Chiedi a un astronauta e Space Radioe autore di Il tuo posto nell'universo.
