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Una delle grandi sfide della cosmologia moderna è quella di rivelare la natura della materia oscura. Sappiamo che esiste (costituisce più dell’85% della materia nell’universo), ma non l’abbiamo mai vista direttamente e ancora non sappiamo cosa sia.
Uno studio pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics 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 sono coerenti con l’esistenza di WIMP, ma anche che queste particelle potrebbero essere ancora più strane di quanto si pensasse in precedenza.
“Le WIMP sono particelle che sono state 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.
Qualche anno fa, la comunità scientifica ha salutato un “miracolo”. Le WIMP sembravano soddisfare tutti i requisiti per la materia oscura, e si pensava – una volta “immaginato” cosa potessero essere e come potessero essere rilevate – che nel giro di pochi anni avremmo avuto la prima prova diretta della loro esistenza.
Al contrario, la ricerca degli ultimi anni ha portato all’esclusione di intere classi di queste particelle, in base alle loro peculiari emissioni.
Oggi, anche se la loro esistenza non è stata del tutto esclusa, la gamma dei possibili tipi di WIMP si è ridotta in modo significativo, insieme alle metodologie per cercare di rilevarli.
“Dei numerosi modelli proposti più motivati, la maggior parte è stata esclusa oggi e solo pochi di essi sopravvivono oggi”, afferma 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 leader del progetto hanno rivelato di aver rilevato tracce di antinuclei nei raggi cosmici, in particolare l’antielio, che nessuno si aspettava”.
Per capire perché questi antinuclei sono importanti per le WIMP e la materia oscura, bisogna prima capire cos’è l’antimateria.
L’antimateria è una forma di materia con una carica elettrica opposta a quella delle particelle di materia “normali”.
La materia ordinaria è costituita da particelle con carica elettrica negativa, come elettroni, carica positiva (protoni) o carica neutra.
L’antimateria è composta da particelle “specchio” con cariche opposte (un elettrone “positivo”, il positrone, un protone “negativo”, ecc.). Quando la materia e l’antimateria si incontrano, si annichilano a vicenda, emettendo forti radiazioni gamma.
Nell’universo, composto in modo schiacciante da materia normale, c’è una piccola quantità di antimateria, a volte più vicina di quanto si possa pensare, dato che i positroni sono usati come agenti di contrasto per la PET, l’esame di imaging medico a cui alcuni di voi potrebbero essersi sottoposti.
“Se si vede la produzione di antiparticelle nel mezzo interstellare, dove ci si aspetta molto poco, significa che sta accadendo qualcosa di insolito”, spiega De la Torre Luque. “Ecco perché l’osservazione dell’antielio è stata così emozionante”.
Ciò che produce i nuclei di antielio osservati da AMS-02 potrebbero infatti essere 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 dei modelli WIMP per vedere se sono compatibili con le osservazioni.
Lo studio ha confermato che alcune osservazioni dell’antielio sono difficili da spiegare con 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 antielio, dovrebbe essere estremamente bassa”, spiega De la Torre Luque.
“Ci aspettavamo di rilevare un evento di antielio ogni poche decine di anni, ma i circa dieci eventi di antielio osservati da AMS-02 sono di molti ordini di grandezza superiori alle previsioni basate sulle interazioni standard dei raggi cosmici. Ecco perché questi antinuclei sono un indizio plausibile per l’annichilazione delle WIMP”.
L’antielio-4, in particolare, è molto più pesante e anche molto più raro.
Sappiamo che la produzione di nuclei più pesanti diventa sempre più improbabile man mano che la loro massa aumenta, soprattutto attraverso processi naturali che coinvolgono i raggi cosmici, motivo per cui vederne così tanti è un segnale di avvertimento.
“Anche nei modelli più ottimistici, le WIMP potrebbero spiegare solo la quantità di antielio-3 rilevata, ma non l’antielio-4”, continua De la Torre Luque, e questo richiederebbe di immaginare una particella (o una classe di particelle) ancora più strana delle WIMP proposte finora, o in gergo tecnico, ancora più “esotica”.
Così, lo studio di De la Torre Luque e dei suoi colleghi indica che la strada verso le WIMP non è ancora chiusa. Ora sono necessarie molte osservazioni più precise, e potremmo dover espandere o adattare il modello teorico, forse introducendo un nuovo settore oscuro nel modello standard di particelle conosciute fino ad oggi, con nuovi elementi “esotici”.
