L’intensa ricerca in tutto il mondo della materia oscura, la massa mancante nell’universo, non è riuscita finora a trovare un’abbondanza di stelle oscure e massicce né tantissime nuove particelle debolmente interagenti, ma un nuovo candidato sta lentamente guadagnando seguito e supporto osservativo.

Chiamate SIMPs – particelle massive fortemente interagenti – sono state proposte tre anni fa dal fisico teorico dell’Università della California, Berkeley Hitoshi Murayama, professore di fisica e direttore del Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) in Giappone, e dall’ex postdoc della UC Berkeley Yonit Hochberg, ora alla Hebrew University in Israele.

Murayama dice che le recenti osservazioni di un ammasso galattico vicino potrebbero essere la prova dell’esistenza delle SIMP, e prevede che i futuri esperimenti di fisica delle particelle ne scopriranno una. 4 dicembre al 29° Simposio texano di astrofisica relativistica a Città del Capo, in Sudafrica.

Gli astronomi hanno calcolato che la materia oscura, pur essendo invisibile, costituisce circa l’85% della massa dell’universo. La prova più solida della sua esistenza è il movimento delle stelle all’interno delle galassie: Senza un blob invisibile di materia oscura, le galassie volerebbero via. In alcune galassie, le stelle visibili sono così rare che la materia oscura costituisce il 99,9% della massa della galassia.

I teorici pensavano inizialmente che questa materia invisibile fosse solo materia normale troppo debole da vedere: stelle fallite chiamate nane brune, stelle bruciate o buchi neri. Eppure i cosiddetti oggetti compatti massicci dell’alone – MACHOs – sono sfuggiti alla scoperta, e all’inizio di quest’anno un’indagine della galassia di Andromeda da parte del Subaru Telescope ha sostanzialmente escluso qualsiasi popolazione significativa di buchi neri non ancora scoperta. I ricercatori hanno cercato buchi neri rimasti dall’universo primordiale, i cosiddetti buchi neri primordiali, cercando improvvisi illuminamenti prodotti quando passano davanti alle stelle di sfondo e agiscono come una lente debole. Ne hanno trovato esattamente uno – troppo poco per contribuire significativamente alla massa della galassia.

“Quello studio ha praticamente eliminato la possibilità dei MACHO; direi che è praticamente sparita”, ha detto Murayama.

Le WIMP – particelle massive debolmente interagenti – non hanno fatto meglio, nonostante siano state al centro dell’attenzione dei ricercatori per diversi decenni. Dovrebbero essere relativamente grandi – circa 100 volte più pesanti del protone – e interagire così raramente tra loro che vengono definite “debolmente” interagenti. Si pensava che interagissero più frequentemente con la materia normale attraverso la gravità, aiutando ad attrarre la materia normale in ammassi che crescono in galassie e alla fine generano stelle.

Le SIMP interagiscono con se stesse, ma non con gli altri

Le SIMP, come le WIMP e le MACHO, in teoria sarebbero state prodotte in grandi quantità all’inizio della storia dell’universo e da allora si sono raffreddate alla temperatura cosmica media. Ma a differenza delle WIMP, le SIMP sono teorizzate per interagire fortemente con se stesse attraverso la gravità, ma molto debolmente con la materia normale. Una possibilità proposta da Murayama è che una SIMP sia una nuova combinazione di quark, che sono i componenti fondamentali di particelle come il protone e il neutrone, chiamati barioni. Mentre i protoni e i neutroni sono composti da tre quark, una SIMP sarebbe più simile a un pione e ne conterrebbe solo due: un quark e un antiquark.

La SIMP sarebbe più piccola di una WIMP, con una dimensione o una sezione trasversale come quella di un nucleo atomico, il che implica che ce ne sono più di quante sarebbero le WIMP. Un numero maggiore significherebbe che, nonostante la loro debole interazione con la materia normale – principalmente attraverso lo scattering, invece di fondersi o decadere nella materia normale – lascerebbero comunque un’impronta sulla materia normale, ha detto Murayama.

Ha visto una tale impronta in quattro galassie in collisione all’interno dell’ammasso Abell 3827, dove, sorprendentemente, la materia oscura sembra rimanere indietro rispetto alla materia visibile. Questo potrebbe essere spiegato, ha detto, dalle interazioni tra la materia oscura in ogni galassia che rallenta la fusione della materia oscura ma non quella della materia normale, fondamentalmente le stelle.

“Un modo per capire perché la materia oscura è in ritardo rispetto alla materia luminosa è che le particelle di materia oscura hanno effettivamente dimensioni finite, si disperdono l’una contro l’altra, quindi quando vogliono muoversi verso il resto del sistema vengono spinte indietro”, ha detto Murayama. “Questo spiegherebbe l’osservazione. Questo è il tipo di cosa previsto dalla mia teoria della materia oscura che è uno stato legato di un nuovo tipo di quark”.”

Le SIMP superano anche uno dei principali difetti della teoria WIMP: la capacità di spiegare la distribuzione della materia oscura nelle piccole galassie.

“C’è stato questo puzzle di lunga data: se si guarda alle galassie nane, che sono molto piccole con poche stelle, sono davvero dominate dalla materia oscura. E se si passa attraverso le simulazioni numeriche di come la materia oscura si aggreghi, si prevede sempre che ci sia un’enorme concentrazione verso il centro. Una cuspide”, ha detto Murayama. Ma le osservazioni sembrano suggerire che la concentrazione sia più piatta: un nucleo invece di una cuspide”. Il problema del nucleo/cuspide è stato considerato uno dei maggiori problemi con la materia oscura che non interagisce se non per gravità. Ma se la materia oscura ha una dimensione finita, come una SIMP, le particelle possono fare “clink” e disperdersi, e questo appiattirebbe effettivamente il profilo di massa verso il centro. Questo è un altro pezzo di ‘prova’ per questo tipo di idea teorica.”

Ricerche in corso per WIMPs e axions

Sono in programma esperimenti a terra per cercare le SIMPs, soprattutto in acceleratori come il Large Hadron Collider al CERN di Ginevra, dove i fisici sono sempre alla ricerca di particelle sconosciute che corrispondono a nuove previsioni. Un altro esperimento al progettato International Linear Collider in Giappone potrebbe anche essere usato per cercare le SIMPs.

Come Murayama e i suoi colleghi affinano la teoria delle SIMPs e cercano modi per trovarle, la ricerca delle WIMPs continua. Il Large Underground Xenon (LUX) esperimento di materia oscura in una miniera sotterranea nel Sud Dakota ha fissato limiti rigorosi su ciò che una WIMP può apparire, e un esperimento aggiornato chiamato LZ spingerà ulteriormente quei limiti. Daniel McKinsey, un professore di fisica della UC Berkeley, è uno dei co-spokespersons per questo esperimento, lavorando a stretto contatto con il Lawrence Berkeley National Laboratory, dove Murayama è uno scienziato senior della facoltà.

I fisici stanno anche cercando altri candidati di materia oscura che non sono WIMP. I docenti della UC Berkeley sono coinvolti in due esperimenti alla ricerca di un’ipotetica particella chiamata axion, che potrebbe soddisfare i requisiti della materia oscura. Il Cosmic Axion Spin-Precession Experiment (CASPEr), guidato da Dmitry Budker, un professore emerito di fisica che ora è all’Università di Mainz in Germania, e dal teorico Surjeet Rajendran, un professore di fisica della UC Berkeley, sta progettando di cercare perturbazioni nello spin nucleare causate da un campo axion. Karl van Bibber, professore di ingegneria nucleare, gioca un ruolo chiave nell’Axion Dark Matter eXperiment – High Frequency (ADMX-HF), che cerca di rilevare assioni all’interno di una cavità a microonde in un forte campo magnetico mentre si convertono in fotoni.

“Naturalmente non dovremmo abbandonare la ricerca delle WIMP”, ha detto Murayama, “ma i limiti sperimentali stanno diventando molto, molto importanti. Una volta che si arriva al livello di misurazione, dove saremo nel prossimo futuro, anche i neutrini finiscono per essere lo sfondo dell’esperimento, il che è inimmaginabile.”

I neutrini interagiscono così raramente con la materia normale che si stima che 100 trilioni volino attraverso il nostro corpo ogni secondo senza che ce ne accorgiamo, cosa che li rende estremamente difficili da rilevare.

“Il consenso della comunità è tipo, non sappiamo quanto lontano dobbiamo andare, ma almeno dobbiamo scendere a questo livello,” ha aggiunto. “Ma poiché non ci sono sicuramente segni di comparsa di WIMP, la gente sta iniziando a pensare in modo più ampio in questi giorni. Fermiamoci e pensiamoci ancora”.