Dalle più piccole interazioni ai più potenti fenomeni galattici, gli scienziati stanno cercando in lungo e in largo le firme della materia oscura. 

 

 

Un’ex miniera d’oro del South Dakota è l’ultimo posto in cui si potrebbe pensare di cercare di risolvere uno dei più grandi misteri dell’universo.

Eppure ciò che giace sepolto nella Sanford Underground Research Facility, a 1,47 km sotto la superficie, potrebbe essere la nostra migliore possibilità di rilevare il fantasma della galassia: la materia oscura.

Nelle profondità di quelle vecchie gallerie minerarie, accessibili solo da un pozzo dalla superficie, ci sono sette tonnellate di xeno liquido, perfettamente immobili (figura 1).

Questo è l’esperimento LUX-ZEPELIN (LZ). Sta cercando le minuscole firme che si prevede la materia oscura lascerà nella sua scia mentre passa attraverso la Terra. Per avere qualche possibilità di successo, LZ deve essere uno degli esperimenti più sensibili del pianeta.

“Il centro di LZ, in termini di cose che accadono, è il posto più tranquillo della Terra”, dice Chamkaur Ghag, fisico dell’University College di Londra nel Regno Unito, e portavoce della collaborazione LZ. “È l’ambiente in cui cercare la più rara delle interazioni”.

La maggior parte degli scienziati crede che questa massa extra sia materia oscura.

“Vediamo questi insoliti effetti gravitazionali, e la spiegazione più semplice per questo, e che sembra autoconsistente finora, è che si tratta di materia oscura”, dice Richard Massey, astrofisico dell’Università di Durham nel Regno Unito.

Il modello standard della cosmologia ci dice che circa il 27% di tutta la materia e l’energia nell’universo è materia oscura, ma nessuno sa cosa sia in realtà. Una possibilità è un’ipotetica razza di particelle chiamata particella massiccia debolmente interagente (WIMP), e sono queste particelle che LZ spera di trovare. Le WIMP sono abbastanza massicce da produrre un campo gravitazionale sostanziale, ma per il resto interagiscono solo delicatamente con la materia normale attraverso la forza debole.

Con più domande che risposte, la ricerca della materia oscura si sta dirigendo verso una resa dei conti

“La spiegazione più semplice per risolvere la materia oscura sarebbe una particella fondamentale che interagisce come una WIMP”, dice Ghag.

Se LZ dovesse fallire nella sua missione, tuttavia, ci sono altre ipotesi concorrenti. Uno in particolare che si nasconde dietro le quinte è un concorrente leggero chiamato assione.

Sono in corso esperimenti per individuare questa vasta e sfuggente porzione di cosmo. Con più domande che risposte, la ricerca della materia oscura si sta dirigendo verso una resa dei conti.

Andando in profondità nel sottosuolo

Secondo la teoria, mentre il nostro sistema solare naviga nello spazio, ci muoviamo attraverso una sottile nebbia di materia oscura. La maggior parte delle particelle di materia oscura, essendo debolmente interagenti, passerebbero attraverso la Terra, ma di tanto in tanto una WIMP potrebbe interagire con un atomo regolare.

Questo è ciò che LZ spera di rilevare, e le sette tonnellate di xeno liquido sono progettate per essere una trappola perfetta per le WIMP.

La sfida che l’esperimento deve affrontare è che anche se una WIMP dovesse interagire con un atomo di xeno, deve essere differenziata dalle altre particelle e radiazioni, come i raggi gamma, che potrebbero entrare nel liquido.

L’esperimento si trova a quasi un miglio sotto la Terra per ridurre gli effetti di fondo, che gli astronomi sperano consentirà loro di identificare le particelle massicce debolmente interagenti (WIMP).

Sia un raggio gamma che una WIMP possono creare una nuvola di elettroni liberi ionizzati all’interno del rivelatore, e in entrambi i casi, quando gli elettroni ionizzati si ricombinano con gli atomi di xeno, emettono lampi di luce.

Ma entrambi i meccanismi sono leggermente diversi e LZ è progettato per rilevare la firma univoca di un’interazione WIMP.

Quando un raggio gamma entra nel rivelatore può interagire con un elettrone nello xeno, che vola via e provoca una catena di ionizzazioni interagendo con altri elettroni vicini.

La WIMP pesante, tuttavia, si scontra con il nucleo di xeno, facendolo ruotare attraverso il liquido, urtando altri nuclei e ionizzando indirettamente alcuni atomi lungo il percorso.

Per differenziare questi due eventi, un campo elettrico di poche decine di kilovolt viene proiettato attraverso il serbatoio di xeno, attirando alcuni degli elettroni ionizzati verso la parte superiore del serbatoio prima che possano ricombinarsi.

Quando questi elettroni raggiungono la sommità, entrano in un sottile strato di gas e producono un’altra, seconda, esplosione di luce.

Quando un raggio gamma entra nel serbatoio, il secondo lampo è più luminoso del primo: l’elettrone di rinculo vola via come un proiettile e la maggior parte degli elettroni che libera vengono tirati su dal rivelatore prima di ricombinarsi.

Un nucleo è molto più pesante di un elettrone, quindi quando una WIMP interagisce con lo xeno, il percorso del rinculo è più breve.

La nuvola di elettroni generata dall’interazione è quindi localizzata in un’area più piccola e un maggior numero di elettroni trova uno ione “partner” con cui ricombinarsi prima che il campo elettrico possa allontanarli.

Ciò significa che per una WIMP, il primo lampo è più luminoso del secondo.

In pratica, c’è una gamma di luminosità che dipende dalle energie delle particelle, ma statisticamente un eccesso di primi lampi più luminosi al di sopra di un certo livello di fondo sarebbe una forte firma delle WIMP.

“Cercare la materia oscura sperimentalmente significa comprendere perfettamente il proprio background”, spiega Ghag.

“Qualsiasi eccesso o accenno di un segnale al di sopra del nostro modello di fondo previsto: questo è ciò che useremo per attribuire la significatività statistica”.

LZ è ora attivo e funzionante, dalla fine del 2021, e ha completato circa il 5% della sua ricerca.

Prima di poter iniziare la sua caccia, il progetto ha dovuto sostenere un processo di cinque anni per esaminare ogni componente del rivelatore, per assicurarsi che gli effetti di fondo di ogni dado, bullone e rondella fossero stati presi in considerazione.

WIMP in crisi?

Il numero di WIMP rilevate informerà i fisici sulla sezione d’urto di interazione della particella di materia oscura, ovvero sulla probabilità che interagisca con la materia normale con cui entra in prossimità.

Il tempismo non potrebbe essere più cruciale. Alcuni dei candidati WIMP più popolari sono previsti da una teoria chiamata “supersimmetria”, che postula che ogni particella nel Modello Standard ha un “superpartner” più massiccio con un diverso spin quantistico.

Alcuni di questi superpartner erano candidati per le WIMP, ma il Large Hadron Collider (LHC) non è riuscito a rilevarli, mettendo in crisi il campo e le ipotetiche WIMP ad esse associate.

Francesca Chadha-Day, un fisico che lavora all’Università di Durham e che studia i candidati della materia oscura sulla base di osservazioni astrofisiche, pensa che il tempo potrebbe essere scaduto per la supersimmetria. “Il paradigma supersimmetrico standard non si è materializzato, e penso che potrebbe essere nei guai”, dice.

Escludere le WIMP ora sarebbe come costruire l’LHC ma fermarsi prima di accenderlo

Tuttavia, sottolinea che la supersimmetria è “solo una delle fonti di WIMP”. La supersimmetria è stata proposta per spiegare alcuni problemi in fisica, come il motivo per cui la gravità è più debole della forza debole.

Anche se la supersimmetria è un vicolo cieco, ci sono teorie alternative per risolvere questi problemi che prevedono anche l’esistenza di particelle che potrebbero essere WIMP.

“È troppo presto per rinunciare alle WIMP”, aggiunge Ghag.

LZ ha bisogno di funzionare per almeno 1000 giorni per raggiungere la sua piena sensibilità e dice che escludere le WIMP ora sarebbe “come costruire l’LHC ma fermarsi prima di accenderlo”.

L’universo degli assioni

Con i punti interrogativi che incombono sulle WIMP, un tipo alternativo di particella di materia oscura sta facendo scalpore.

Soprannominati assioni, Chadha-Day li descrive come “materia oscura gratis”, perché sono stati sviluppati per risolvere un problema completamente diverso.

“C’è questo grande mistero nella fisica delle particelle che chiamiamo il problema della CP forte”, dice Chadha-Day.

C si riferisce alla carica e P alla parità. Il problema CP descrive come, se si scambia una particella con la sua antiparticella di carica opposta e la si scambia con un’immagine speculare spaziale, le leggi della fisica funzionerebbero ancora allo stesso modo per essa.

Il Modello Standard prevede che la forza forte, che incolla i quark all’interno di protoni e neutroni, dovrebbe effettivamente violare la simmetria CP. Eppure, in pratica, gioca a pallone con la conservazione della carica e della parità.

Qualcosa sta intervenendo e interagendo con la forte forza per mantenere la simmetria. Questo qualcosa si propone di essere l’assione.

“L’assione è di gran lunga il modo più popolare per risolvere il problema della CP forte perché è il più semplice”, afferma Chadha-Day. “E poi, quando si osservano le proprietà dell’assione, si scopre anche che può agire come materia oscura”.

Le difficoltà della supersimmetria hanno visto un recente boom nel supporto per gli assioni come materia oscura

Queste proprietà includono la rara interazione con altre particelle e talvolta l’essere non relativistiche, il che significa che alcuni assioni si muoverebbero abbastanza lentamente da aggregarsi in aloni attorno a galassie e ammassi di galassie, il che spiegherebbe la loro massa aggiuntiva. Come le WIMP, tuttavia, gli assioni devono ancora essere rilevati.

Le difficoltà della supersimmetria hanno visto un recente boom nel supporto per gli assioni come materia oscura. “Ci sono forti motivazioni per gli assioni”, dice Ghag, “perché potrebbero esistere anche se non sono materia oscura”.

Modelli di lente

Si prevede che gli assioni siano più leggeri delle WIMP e che interagiscano con la materia attraverso la forza elettromagnetica (e la gravità) piuttosto che la forza debole.

Gli esperimenti per rilevare direttamente gli assioni utilizzano campi magnetici, perché in loro presenza un assione può trasformarsi in un fotone.

Tuttavia, poiché gli assioni potrebbero esistere anche se non sono materia oscura, per testarli contro le WIMP, i fisici devono adottare un approccio diverso.

La massa extra della materia oscura intorno alle galassie e agli ammassi di galassie può piegare il percorso della luce proveniente da oggetti più distanti, ingrandendoli e deformandone l’aspetto, a volte anche producendo immagini multiple.

La forma e il grado di questo effetto, chiamato “lente gravitazionale”, è influenzato dalla distribuzione della materia oscura nelle galassie lente.

Si prevede che le WIMP e gli assioni si distribuiscano in modo leggermente diverso, quindi la lente gravitazionale può mettere alla prova le teorie concorrenti.

Vedere quadruplo

Effetti di lente intorno a sei oggetti astronomici

Le galassie e gli ammassi di galassie possono piegare la luce proveniente da oggetti luminosi sullo sfondo come i quasar, creando immagini ingrandite. Se l’effetto lente è forte, come in queste immagini, possiamo anche osservare più immagini di un singolo quasar. L’immagine in alto a destra mostra il quasar HS 0810+2554.

Se la materia oscura è costituita da WIMP, allora formeranno un denso grumo al centro di una galassia, che si disperderà dolcemente con l’aumentare della distanza.

Gli assioni, tuttavia, funzionano in modo diverso. “Poiché gli assioni sono così leggeri, gli effetti quantistici diventano più importanti”, afferma Chadha-Day.

Questi effetti dovrebbero manifestarsi su larga scala: si prevede che l’alone assionico attorno a una galassia mostri modelli di interferenza quantistica a lungo raggio, con la densità che fluttua in picchi e depressioni di migliaia di anni luce di diametro.

La lente gravitazionale potrebbe potenzialmente essere utilizzata per rivelare questi modelli, utilizzando qualcosa chiamato “curva critica”. Pensa a una lente gravitazionale come a una serie di linee in cui lo spazio è stato deformato dalla materia, come su una mappa in cui le linee di contorno indicano l’altezza. La curva critica è il punto in cui i contorni si raggruppano maggiormente.

Cartografia cosmica

Lente gravitazionale attorno all'ammasso di galassie Abell 1689

Lente gravitazionale attorno all’ammasso di galassie Abell 1689. Le linee rosse indicano la curva critica in cui l’ingrandimento è infinito e i contorni gialli indicano le regioni del cielo in cui gli oggetti sono ingranditi di più di un fattore 10.

Le curve critiche “sono linee di vista nell’universo in cui si ottiene un enorme ingrandimento nella lente gravitazionale, e hanno modelli diversi a seconda che la materia oscura sia costituita da WIMP o assioni”, afferma Massey. Con gli assioni, il modello di interferenza quantistica può rendere ondulata la curva critica.

Nel 2023 un team guidato da Alfred Amruth dell’Università di Hong Kong ha trovato alcune prove di effetti ondulatori nella curva critica.

Hanno studiato il quasar HS 0810+2554 – il nucleo incredibilmente luminoso di una galassia lontana che viene lente gravitazionalmente (possiamo vederne quattro immagini dalla Terra) da un oggetto in primo piano.

Hanno scoperto che il modello di lente potrebbe essere spiegato meglio dagli assioni rispetto alle WIMP (figura 4), anche se, poiché hanno studiato solo un sistema, questo è tutt’altro che una schiacciata per gli assioni.

Interazioni con la materia oscura

Massey preferisce non legarsi a nessun particolare modello di materia oscura, optando invece per un approccio fenomenologico. “Cerco di verificare se le particelle di materia oscura possono interagire con altre particelle di materia oscura”, dice.

Misurare quanta materia oscura interagisce con se stessa (un altro tipo di sezione d’urto) può essere utilizzata per restringere le sue proprietà.

Fare le onde

Confronto delle forme delle lenti gravitazionali di quattro modelli di materia oscura

La forma di una lente gravitazionale cambierebbe a seconda che la materia oscura sia costituita da WIMP o assioni. Alfred Amruth e colleghi hanno sviluppato un modello della lente gravitazionale del quasar HS 0810+2554.

La luce del quasar è piegata attorno a una galassia in primo piano e la forma della lente gravitazionale dipende dalle proprietà della materia oscura nella galassia.

ricercatori hanno testato modelli di materia oscura simile a WIMP e assionica.

I colori indicano la quantità di ingrandimento, con le linee azzurre che rappresentano le curve critiche dell’alto ingrandimento.

La parte a mostra un modello di materia oscura simile a WIMP, mentre b, c e d mostrano diversi modelli di materia oscura assionica.

Mentre la curva critica simile a WIMP è liscia, l’interferenza tra le particelle assioniche ondulatorie rende la curva critica ondulata.

I migliori laboratori naturali in cui studiare la materia oscura che interagisce con se stessa sono le collisioni di ammassi di galassie, in cui si scontrano grandi quantità di materia e, teoricamente, di materia oscura.

Se gli aloni di materia oscura interagiscono tra loro nelle collisioni degli ammassi, allora rallenteranno, ma come si fa a misurarlo quando gli oggetti in questione sono invisibili?

“È qui che i frammenti di materia ordinaria sono effettivamente utili”, afferma Massey.

Le collisioni degli ammassi contengono sia galassie che nubi di idrogeno all’interno dell’ammasso.

Usando la lente gravitazionale, gli scienziati possono capire dove si trova la materia oscura in relazione a questi altri oggetti cosmici, che possono essere utilizzati per capire quanto sta interagendo.

Le galassie negli ammassi sono così distanziate che navigano l’una accanto all’altra durante la collisione.

Al contrario, le nubi di idrogeno gassoso all’interno del cluster sono così vaste che non possono evitarsi l’una con l’altra, e quindi non si spostano molto lontano.

Se la materia oscura non interagisce con se stessa, dovrebbe essere scoperta con le galassie.

Se l’interazione è forte, tuttavia, si troverà con le nubi di idrogeno.

Se interagisce solo un po’, allora la materia oscura sarà da qualche parte nel mezzo.

La sua posizione può quindi essere utilizzata per stimare la sezione d’urto dell’interazione, e questo valore può essere consegnato ai teorici per verificare quale modello di materia oscura si adatta meglio al progetto.

Astronomia d’alta quota

Il problema è che le collisioni degli ammassi possono impiegare un centinaio di milioni di anni per fare il loro corso. Ciò che è necessario è vedere le collisioni degli ammassi di galassie in tutte le fasi, con velocità diverse, da diverse angolazioni.

Entra in gioco SuperBIT, il Super Balloon-borne Imaging Telescope, di cui Massey è il ricercatore principale nel Regno Unito.

Raggiungendo i 40 km nell’atmosfera mentre oscillava sotto un pallone a super-pressione fornito dalla NASA, SuperBIT era un telescopio con apertura di mezzo metro progettato per mappare la materia oscura nel maggior numero possibile di collisioni di ammassi di galassie per ricostruire le fasi di tale collisione.

SuperBIT ha volato cinque volte, imbarcandosi nel suo primo volo di prova nel settembre 2015 (figura 5). “Lo riportavamo giù, lo aggiustavamo, lo miglioravamo e lo rimandavamo in alto, e al momento del volo finale funzionava davvero bene”, dice Massey.

Lontano da casa

Il telescopio SuperBIT ha effettuato misurazioni con lente gravitazionale delle collisioni degli ammassi per restringere le proprietà della materia oscura. Questa foto della Terra è stata scattata da SuperBIT durante uno dei suoi cinque voli.

L’ultimo volo è avvenuto nei mesi di aprile e maggio 2023, con un lancio dalla Nuova Zelanda e un giro intorno alla Terra cinque volte e mezzo.

Il telescopio si è paracadutato verso il suo sito di atterraggio in Argentina, ma mentre ha toccato terra abbastanza bene, il meccanismo di rilascio si era congelato nella stratosfera e il paracadute non si è staccato.

Invece, il vento l’ha catturata e ha trascinato SuperBIT attraverso il paesaggio.

“È passato dall’essere allineato entro micron all’essere allineato entro chilometri! L’intera faccenda era solo una grande pila di specchi e metallo, giroscopi e dischi rigidi sparsi per l’Argentina, ed è stato straziante”, dice Massey, che ora ci ride su. Fortunatamente, il telescopio aveva funzionato brillantemente e tutti i dati erano stati scaricati su un’unità remota prima che la catastrofe colpisse.

Finché una rivelazione rimarrà elusiva, l’identità della materia oscura continuerà ad essere un punto dolente per astronomi e fisici

Il team di SuperBIT sta lavorando su questi dati. Se c’è qualche prova che le particelle di materia oscura si sono scontrate, la stima risultante della sezione d’urto dell’interazione indicherà specifici modelli teorici ed escluderà altri.

Le osservazioni astronomiche possono guidarci, ma solo una rilevazione positiva di una particella di materia oscura in un esperimento come LZ risolverà la questione.

Finché una rivelazione rimarrà elusiva, l’identità della materia oscura continuerà ad essere un punto dolente per astronomi e fisici.

Mantiene anche la porta socchiusa per le teorie alternative, e i sostenitori della dinamica newtoniana modificata (MOND) stanno già cercando di sfruttare queste crepe, come vedremo nella terza e ultima parte di questa serie.

 

Foto: NASA, ESA, CXC, M Bradac (University of California, Santa Barbara, USA) and S Allen (Stanford University, USA)