Secondo l’Universo che vediamo attraverso i nostri telescopi dobbiamo concludere che non capiamo come agisce la gravità oltre il nostro sistema solare. Le stelle si muovono intorno alle loro galassie più velocemente di quanto dovrebbero; le galassie si muovono così velocemente all’interno dei loro ammassi che dovrebbero fuggire nello spazio intergalattico; i raggi di luce che attraversano regioni con un’alta densità di galassie si piegano più di quanto previsto dalla relatività generale.

Non sembra che comprendiamo meglio la storia dell’Universo: dopo i primi istanti c’è apparentemente molto più deuterio primordiale e meno elio-4 di quanto ci dovremmo aspettare, data la quantità di materia che osserviamo; le fluttuazioni di temperatura del fondo cosmico a microonde, formatosi nel momento in cui gli atomi sono apparsi per la prima volta, mostrano sovradensità di materia che sono insufficienti a produrre le galassie che osserviamo attualmente. Inoltre, le strutture su larga scala che possiamo vedere, che includono filamenti formati da milioni di galassie e grandi vuoti, non possono essere riprodotte nelle nostre simulazioni al computer, assumendo la quantità di materia barionica (cioè, protoni e neutroni) osservata nell’Universo primordiale. E per finire il lavoro non possiamo nemmeno dare un senso alla sequenza di formazione della struttura: l’ordine che prevediamo (prima le stelle, poi le galassie, gli ammassi di galassie, i superammassi e infine i filamenti) non può essere riprodotto dal fondo cosmico a microonde.

Come abbiamo appena detto: non ci capiamo niente.

A meno che…

A meno che non ipotizziamo che esista un altro tipo di materia oltre a quella barionica, un tipo di materia che difficilmente interagisce né con i barioni né con la luce. Questa ipotetica sostanza è stata soprannominata materia oscura… già 84 anni fa! La materia oscura agisce come un elisir curativo: essenzialmente aggiusta tutto, o quasi… ma a costo di accettare che l’unica prova che abbiamo della sua esistenza siano gli effetti gravitazionali che abbiamo appena descritto.

È quindi naturale che la comunità sia piuttosto frenetica nel cercare di capire cosa sia la materia oscura. Una delle ipotesi più accettate è che potrebbe essere composta da nuove particelle elementari ancora da scoprire; tra queste, le WIMP (Weakly Interacting Massive Particles) hanno un forte sostegno nella comunità. Un mezzo per trovare queste WIMPs è provare a produrle nelle collisioni all’interno degli acceleratori di particelle. Stiamo anche cercando di rilevare quelle che sono intorno a noi identificando le loro interazioni molto rare con la materia regolare, un metodo soprannominato “rilevamento diretto”. Infine, stiamo anche cercando gli effetti che dovrebbero produrre quando si accumulano all’interno di grandi oggetti astrofisici; in quegli ambienti la densità della materia oscura è sufficiente perché le particelle si annichiliscano, e dovrebbero produrre particelle che possiamo effettivamente rilevare.

Un gruppo di ricercatori dell’IFIC utilizza quest’ultimo metodo per cercare la materia oscura nei dati del telescopio per neutrini ANTARES. In un recente articolo pubblicato sulla rivista Physics Letters B, gli scienziati del gruppo ANTARES/KM3NeT dell’IFIC hanno effettuato una ricerca di neutrini ad alta energia provenienti dal centro della Via Lattea… e non hanno trovato alcun segnale. Questo ha permesso loro di imporre limiti molto rigorosi sull’annichilazione WIMP nel centro della Galassia. Il fatto che ANTARES si trovi nell’emisfero nord della Terra, e quindi possa osservare in modo ottimale l’emisfero sud celeste, dove si trova il centro galattico, rende i suoi risultati molto competitivi, persino migliori di quelli del suo partner molto più grande, il telescopio per neutrini IceCube, che opera al Polo Sud, e persino migliori – nel regime delle WIMP molto pesanti – dei limiti allo stato dell’arte fissati dai rivelatori di raggi gamma.

Questo lavoro, insieme a una ricerca simile nel Sole, è stato l’argomento principale del lavoro di dottorato di Christoph Tönnis, un ricercatore del programma Santiago Grisolia della Conselleria d’Educació, Investigació, Cultura i Esport de la Generalitat Valenciana, che è stato supervisionato dai ricercatori IFIC Juan José Hernández Rey e Juan de Dios Zornoza Gómez.