Roma, 4 ottobre 2024 – Una delle grandi sfide della cosmologia moderna è quella di comprendere la natura della materia oscura. Sappiamo che esiste (costituisce oltre l’85% della materia nell’Universo), ma non l’abbiamo mai vista direttamente e ancora non sappiamo cosa sia.
Un nuovo studio pubblicato su JCAP ha esaminato tracce di antimateria nel cosmo che potrebbero rivelare una nuova classe di particelle mai osservate prima, chiamate WIMP (Weakly Interacting Massive Particles), che potrebbero costituire la materia oscura.
Lo studio suggerisce che alcune recenti osservazioni di “antinuclei” nei raggi cosmici siano coerenti con l’esistenza delle WIMP, ma anche che queste particelle possano essere ancora più strane di quanto si pensasse.
“Le WIMP sono particelle teorizzate ma mai osservate, e potrebbero essere il candidato ideale per la materia oscura – spiega Pedro De la Torre Luque, fisico dell’Istituto di Fisica Teorica di Madrid e uno degli autori della nuova ricerca – Hanno una grande massa e interagiscono tra loro e con altre particelle solo attraverso la gravità e la forza di interazione debole, una delle quattro forze fondamentali che opera solo a distanze molto ravvicinate”.
Alcuni anni fa, nella comunità scientifica ci fu grande entusiasmo per quello che sembrava un ‘miracolo’: le WIMP sembravano soddisfare tutti i requisiti per la materia oscura, e si pensava che – una volta ‘immaginato’ cosa fossero e come rilevarle – nel giro di pochi anni avremmo avuto le prime prove dirette della loro esistenza. Al contrario, le ricerche degli ultimi anni hanno portato all’esclusione (in base ai loro livelli energetici) di intere classi di queste particelle.
Oggi, sebbene la loro esistenza non sia stata del tutto esclusa, la gamma di tipi possibili di WIMP si è significativamente ridotta, e con questa anche i modi per cercare di rilevarle. “Dei numerosi modelli proposti, la maggior parte è stata esclusa e solo pochi sopravvivono oggi”, spiega De la Torre Luque.
Una recente scoperta, tuttavia, sembra aver riaperto il caso. “Si tratta di alcune osservazioni dell’esperimento AMS-02”, spiega De la Torre Luque. AMS-02 (Alpha Magnetic Spectrometer) è un esperimento scientifico a bordo della Stazione Spaziale Internazionale che studia i raggi cosmici. “I responsabili del progetto hanno rivelato di aver osservato tracce di antinuclei nei raggi cosmici, in particolare anti-elio, una cosa che nessuno si aspettava”.
Per comprendere perché questi antinuclei siano importanti per le WIMP e la materia oscura, bisogna prima capire cos’è l’antimateria.
L’antimateria è una forma di materia con carica elettrica opposta a quella delle particelle di materia “normale”. Se avete seguito delle lezioni di fisica a scuola, saprete che la materia ordinaria, quella che ci circonda, è composta da particelle con carica elettrica negativa, come gli elettroni, carica positiva (protoni), o neutra. L’antimateria è composta da particelle “speculari” con cariche opposte (un “elettrone positivo”, il positrone, un “protone negativo”, ecc.).
Quando materia e antimateria si incontrano, si annichilano a vicenda, emettendo una forte radiazione gamma. Nel nostro universo, composto in prevalenza da materia normale, esiste una piccola quantità di antimateria, talvolta più vicina di quanto si possa pensare, dato che i positroni vengono utilizzati come mezzo di contrasto per la PET, l’esame di imaging medico a cui alcuni di voi potrebbero essersi sottoposti.
Parte di questa antimateria si è formata – si crede – durante il Big Bang, ma se ne crea costantemente di nuova attraverso eventi specifici, il che la rende molto significativa da osservare. “Se si vede la produzione di antiparticelle nel mezzo interstellare, dove se ne aspettano pochissime, significa che sta accadendo qualcosa di insolito – spiega De la Torre Luque – Ecco perché l’osservazione dell’anti-elio è stata così entusiasmante”.
Ciò che produce i nuclei di anti-elio osservati da AMS-02 potrebbero essere effettivamente le WIMP. Secondo la teoria, quando due particelle WIMP si incontrano, in alcuni casi si annichilano, cioè si distruggono a vicenda, emettendo energia e producendo sia particelle di materia che di antimateria. De la Torre Luque e i suoi colleghi hanno testato alcuni modelli di WIMP per vedere se fossero compatibili con le osservazioni.
Lo studio ha confermato che alcune osservazioni di anti-elio sono difficili da spiegare con i fenomeni astrofisici noti. “Le previsioni teoriche suggerivano che, anche se i raggi cosmici possono produrre antiparticelle attraverso interazioni con il gas nel mezzo interstellare, la quantità di antinuclei, in particolare di anti-elio, dovrebbe essere estremamente bassa”, spiega De la Torre Luque.
“Ci aspettavamo di rilevare un evento di anti-elio ogni alcune decine di anni, ma i circa dieci eventi di anti-elio osservati da AMS-02 sono di molti ordini di grandezza superiori alle previsioni basate sulle interazioni standard dei raggi cosmici. È per questo che questi antinuclei sono un indizio plausibile dell’annichilazione delle WIMP”, prosegue De la Torre Luque.
Ma potrebbe esserci di più. I nuclei di anti-elio osservati da AMS-02 sono di due isotopi distinti (lo stesso elemento, ma con un numero diverso di neutroni nel nucleo), anti-elio-3 e anti-elio-4. L’anti-elio-4, in particolare, è molto più pesante e anche molto più raro.
Sappiamo che la produzione di nuclei più pesanti diventa sempre meno probabile con l’aumentare della loro massa, specialmente attraverso processi naturali che coinvolgono i raggi cosmici, ed è per questo che vederne così tanti è un segnale d’allarme.
“Anche nei modelli più ottimistici, le WIMP potrebbero spiegare solo la quantità di anti-elio-3 rilevata, ma non quella di anti-elio-4”, continua De la Torre Luque, e questo richiederebbe di immaginare una particella, o una classe di particelle, ancora più strana (o, in gergo tecnico, ancora più “esotica”) rispetto alle WIMP proposte finora.
Lo studio di De la Torre Luque e dei suoi colleghi indica quindi che la strada verso le WIMP non è ancora chiusa. Saranno ora necessarie molte più osservazioni e molto più precise, e in futuro potrebbe essere necessario ampliare o adattare il modello teorico, forse introducendo un nuovo settore oscuro nel modello standard delle particelle conosciute fino ad oggi, con nuovi elementi “esotici”.
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